ICLR 2020 | 多模态下使用图片信息显著增强机器翻译效果
論文標題：
Neural Machine Translation with Universal Visual Representation
論文作者：
Zhuosheng Zhang, Kehai Chen, Rui Wang, Masao Utiyama, Eiichiro Sumita, Zuchao Li, Hai Zhao
論文鏈接：
https://openreview.net/forum?id=Byl8hhNYPS
收錄情況：
ICLR 2020 (Spotlight)
代碼鏈接：
https://github.com/cooelf/UVR-NMT
長期以來，機器翻譯都只涉及到文本之間的轉換，但實際上，人的感知功能可以是“多模態”的。
本文提出一種通用的視覺表征，將圖片信息融合到機器翻譯模型中。
使用這種視覺知識融合方法，不需要額外的雙語-圖片標注數據，模型就能夠在多個數據集上取得顯著的效果提升。
多模態與機器翻譯
機器翻譯是兩種語言間的轉換，比如“A dog is playing in the snow”翻譯為中文就是“小狗在雪地里玩耍”。
但人類理解世界不只是用文字，還有視覺、聽覺等感知能力；并且翻譯的過程需要保持“語義”不變。比如下面的圖：
講中文的人會說“小狗在雪地里玩耍”，而講英文的人會說“A dog is playing in the snow”。也就是說，人們對客觀世界的本質認知是相同的，只是“方法”不同，體現在語言上，就是語法上的差異。
為此，我們可以假設在機器翻譯模型中，融入這種“客觀的世界知識”，比如把圖片信息加入，以此期望增強翻譯能力。同時考慮文本和圖片，這就是一種多模態。
然而，過去的翻譯-圖片研究大都需要大量的雙語-圖片標注數據，這在數據上成為一個研究的瓶頸。本文針對這種情況，提出“通用的視覺表示”，僅用單語-圖片標注數據，就能顯著提高機器翻譯的效果。
本文的方法在數據集EN-RO，EN-DE，EN-FR上均有約一個BLEU值的提高，這說明了本方法的有效性。
具體來說，本文貢獻如下：
提出一種通用的視覺表示方法，無需雙語-圖片標注語料；
該方法可以在只有文本的數據集上使用；
實驗證明了該方法效果提升的一致性。
在閱讀完本文之后，讀者可以思考下述問題：
如果要翻譯單語-圖片數據集中沒有的語言，可以怎么做？
在融合步驟，是否可以有其他的方法進行融合？
你認為本文這種方法從邏輯上是否真的有效？為什么？
通用視覺表示
本節來介紹本文的方法。
首先我們有一個單語-圖片數據集，也就是，其中的每條數據都是一張圖片和對圖片的描述。
這個描述的句子為，把其中的停用詞去掉后得到了，它所描述的圖片是。
然后，對中的每個詞，計算它在整個數據集中的TF-IDF值，然后取中TF-IDF值最大的前個詞作為這個圖片的主題詞，也就是和圖片最相關的個詞。
這樣一來，每個圖片都有它主題詞，同時，每個詞都有可能同時是多個圖片的主題詞。我們可以把這看成一個“主題詞-圖片”查詢表，輸入一個詞，就可以在表中查詢以為主題的所有圖片。
那么，現在輸入一個句子，我們就可以按照同樣的步驟：
1.去除停用詞；
2.計算每個詞的TF-IDF；
3.取前個TF-IDF最高的詞；
4.在查詢表中找到所有對應的圖片；
5.按照出現次數的多少排序，取出前個出現次數最多的圖片（因為多個詞可能對應同一個圖片），得到集合。
現在，這個圖片集合就可以認為是和輸入句子對應的視覺信息，可以用它去增強翻譯效果了。下圖是流程示意圖：
在機器翻譯中融合圖片信息
為了把圖片融合進去，我們首先用一個預訓練的ResNet提取圖片集的表示，然后計算與。
這里，是Transformer Encoder的最后一層，是用ResNet得到的圖片集的表示，使用sigmoid計算。
在Decoder端，直接把送入即可。融合步驟如下所示：
實驗
我們在三個數據集上進行實驗：WMT16 En-RO, WMT14 EN-DE和WMT14 EN-FR。這三個數據集大小從小到大增加，從而在不同大小的數據集上都能驗證該方法。
下表是在這三個數據集上的結果，++表示顯著更優。
可以看到，和基線模型(Trans.(base/big))相比，本文的方法(+VR)在三個數據集上都能得到顯著的提升，平均提升約一個BLEU值。同時，只引入了很少的參數量，這就不會使訓練時間幾乎不會增加。
下表是在數據集Multi30K上的結果，這是一個多模態數據集。可以看到，即使在多模態設置下，本文方法依舊能夠取得顯著結果。
最后，我們來看看每個句子對應的圖片集的大小，和手動控制參數的影響。
下圖分別是兩個因素的影響結果。從圖片數量來看，并不是越多的圖片數量越好，也不是越少越好，而是在的區間較好。這是因為，過少的圖片信息不充分，過多的圖片噪聲太多。
參數控制的是圖片信息融合的程度，可以看到，無論融合多少，效果都比不融合圖片信息要好，這說明多模態是有效果的。
而且，手動控制它都沒有模型自動學習好，這也說明模型對不同的輸入句子，需要的視覺信息也是不同的。
小結
本文提出了一種簡單、有效的多模態視覺知識融合方法——首先構建從主題詞到圖片的查詢表，然后對輸入句子找到相關的圖片，然后使用ResNet提取圖片信息融入到機器翻譯模型中。
使用這種方法，可以避免對大規模雙語-圖片數據的依賴。實驗結果也表明，這種方法可以一致地提高翻譯效果。
思考題討論
如果要翻譯單語-圖片數據集中沒有的語言，可以怎么做？
比如沒有日語，我們可以用一個日語的image caption模型去自動標注每個圖片的描述。
或者可以用X-日語的機器翻譯得到圖片翻譯后的描述；或者直接用一個現有的詞典，把圖片的主題詞直接翻譯成日語。其他方法亦可。
在融合步驟，是否可以有其他的方法進行融合？
另外一個簡單的方法是，把ResNet得到的圖片表示和句子一起，送入Encoder，再像往常一樣解碼。
你認為本文這種方法從邏輯上是否真的有效？為什么？
見仁見智，筆者傾向于有效，但是作用不大，因為只從模型的角度難以驗證圖片和文本之間語義的相關性，至于效果的提升，有可能是ResNet和Aggregate的共同結果。
筆者認為，可以考慮加一個圖片預測描述的任務，和翻譯一起學習；再將ResNet替換為普通的CNN進行實驗。
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總結
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