Multi-Label Zero-Shot Learning with Structured Knowledge Graphs 论文笔记

Multi-Label Zero-Shot Learning with Structured Knowledge Graphs 论文笔记

个人学习笔记，写得可能比较意识流，各位斟酌食用，理解有误的恳请指正

0. Abstract

这是一个多标签零次学习任务（ML-ZSL），对一个输入预测多个unseen类标签。

引入知识图谱来描述多个标签之间的关系。

模型学习一个信息传播机制来建模seen和unseen的类标签之间的相互依赖关系。

1. Introduction

多标签分类的常见做法：

1. 转换成多个不相交的二分类问题，但这样做没有建模到标签之间的联系。
2. 引入标签之间的先验知识。
3. 基于标签嵌入的方法，将输入图片与它们的标签注入一个隐空间，从而利用标签间的关联关系。

然而，第1、2种方法都没办法直接用到ML-ZSL上去，因为它们没办法泛化到unseen类标签上。

反倒是第三种方法通过利用语义空间的标签表达，可以比较容易的适配ML-ZSL。

虽然已经有ML-ZSL的方法提出了，但是这些方法都没有用到结构化的知识。

Fig.1 阐述了知识图谱如何帮助多标签的建模。

有一些工作在多标签任务上使用结构化的知识，通常做法为：

• 引入图表达，强迫标签之间有确定的关系
• 利用RNN来建模不同的标签之间的pos / neg 关系
• 通过在知识图谱中传播信息，建模标签之间的关系

本文引入结构化的知识图谱和标签传播机制

3. Approach

3.1. Notations and Overview

$\mathcal{D}={\left\{\left({\mathbf{x}}^i,{\mathbf{y}}^i\right)\right\}}_{i=1}^N$ ：训练集

$N$ ：训练样本数

$\mathcal{S}$ ：训练标签集

$\mathcal{U}$ ：不可见标签集

训练时，${\mathbf{y}}^i\in \{0,1{\}}^{|S|}$ ； 测试时，$\tilde{\mathbf{y}}\in \{0,1{\}}^{|\mathcal{S}|+|\mathcal{U}|}$

类的语义向量：用 distributed word embedding 表示，$\mathbf{W}={\left\{{\mathbf{w}}_v\right\}}_{v=1}^{|\mathcal{S}|+|\mathcal{U}|}$ ，${\mathbf{w}}_v\in {\mathbb{R}}^{d_{emb}}$ ，$d_{emb}$ 是word embedding的维度。在本文总使用GloVe作为word embedding，并且$d_{emb}=300$ .

!

• 每个标签为一个节点，${\mathbf{h}}_v^{(t)}$ ，初始化状态为${\mathbf{h}}_v^{(0)}$ （直接从输入${\mathbf{F}}_I$获得的）
• 节点$u$ 和节点$v$ 之间连接的权重为${\mathbf{a}}_{vu}$ ，由关联函数${\mathbf{F}}_R^k$ 产生，k表示关系的类型
• 经过$T$ 步传播之后，传入输出函数${\mathbf{F}}_O$ 生成最后的分类概率

3.2 Structured Knowledge Graph Propagation in Neural Networks

1. 输入函数 ${\mathbf{F}}_I\left(\mathbf{x},{\mathbf{w}}_v\right)$ ，其中$\mathbf{x}$是输入的图片特征，${\mathbf{w}}_v$ 是每个节点$v$ 的Word Embedding，从而得到一个初始的状态置信度${\mathbf{h}}_v^{(0)}$ 。这里的${\mathbf{F}}_I$ 用神经网络来实现。
2. 知识图谱的传播权重矩阵$\mathbf{A}\in {\mathbb{R}}^{|\mathcal{S}|d_{hid}\times |\mathcal{S}|d_{hid}}$ ，通过邻接节点来获得每个节点的更新向量${\mathbf{u}}_v^{(t)}$ ，然后通过门限机制GRU来更新。

上面两步用数学语言来表示：
$$\begin{array}{rl}{\mathbf{h}}_v^{(0)}& ={\mathbf{F}}_I\left(\mathbf{x},{\mathbf{w}}_v\right)\\ {\mathbf{u}}_v^{(t)}& =\tanh \left({\mathbf{A}}_v^{\top }{\left[{\mathbf{h}}_1^{(t-1)\top }\dots {\mathbf{h}}_{|S|}^{(t-1)\top }\right]}^{\top }\right)\\ {\mathbf{h}}_v^{(t)}& =GRUCell\left({\mathbf{u}}_v^{(t)},{\mathbf{h}}_v^{(t-1)}\right)\end{array}$$
GRUCell的更新过程为：
$$\begin{array}{rl}{\mathbf{z}}_v^{(t)}& =\sigma \left({\mathbf{W}}^z{\mathbf{u}}_v^{(t)}+{\mathbf{U}}^z{\mathbf{h}}_v^{(t-1)}+{\mathbf{b}}^z\right)\\ {\mathbf{r}}_v^{(t)}& =\sigma \left({\mathbf{W}}^r{\mathbf{u}}_v^{(t)}+{\mathbf{U}}^r{\mathbf{h}}_v^{(t-1)}+{\mathbf{b}}^r\right)\\ {\tilde{\mathbf{h}}}_v^{(t)}& =\tanh \left({\mathbf{W}}^h{\mathbf{u}}_v^{(t)}+{\mathbf{U}}^h\left({\mathbf{r}}_v^{(t-1)}\odot {\mathbf{h}}_v^{(t-1)}\right)+{\mathbf{b}}^h\right)\\ {\mathbf{h}}_v^{(t)}& =\left(1-{\mathbf{z}}_v^{(t)}\right)\odot {\mathbf{h}}_v^{(t-1)}+{\mathbf{z}}_v^{(t)}\odot {\tilde{\mathbf{h}}}_v^{(t)}\end{array}$$
其中$\mathbf{W},\mathbf{U},\mathbf{b}$ 都是可学习的。

3. 输出函数${\mathbf{F}}_O$, 用全连接神经网络实现，对于每个标签节点都可以获得一个置信度$p$ ：

$$p_v^{(t)}={\mathbf{F}}_O\left({\mathbf{h}}_v^{(t)}\right)$$

3.3 传播矩阵A的学习

本节阐述如何合理地将邻接节点的信息结合起来，构建A矩阵。

在A中，邻接节点的权重设为非零，不相邻的节点权重设为0。

不是为相同类型/关系的边分配相同的传播权重，而是分配产生传播权重的相同关系函数${\mathbf{F}}_R^k$，其中k表示边类型，即相同类型的边有相同类型的关联函数：
$${\mathbf{a}}_{vu}={\mathbf{F}}_R^k\left({\mathbf{w}}_v,{\mathbf{w}}_u\right)$$
传播机制如下图：

这样，这个F函数学习了一个从语义Word Embedding空间到传播矩阵的一个映射，从而有依据地建模关联边之间依赖关系。

用在ZSL中，可以从语义空间学习可以让模型生成unseen类的类标签。

3.4 从ML到ML-ZSL

loss：binary cross-entropy（BCE）
$$\mathcal{L}=\frac{1}{N}\frac{1}{|\mathcal{S}|}\sum _{i,v,t}\alpha (t)(\left(y_v^i\log p_v^{(t)}+\left(1-y_v^i\right)\log \left(1-p_v^{(t)}\right)\right)$$
其中，$\alpha (t)=1/(T-t+1)$ ，它是随着t的增加而增大的，表示越靠后的越准确，并且这个loss是把每一步t的置信度都进行加权了。

但是，测试时，只用最后步骤T的置信度$p_v^{(T)}$ 作为输出。

对于ML-ZSL，把A扩展到$\tilde{A}\in {\mathbb{R}}^{(|\mathcal{S}|+|\mathcal{U}|)d_{hid}\times (|\mathcal{S}|+|\mathcal{U}|)d_{hid}}$ ，编码知识图谱中unseen的类标签的关系。

那么，更新向量就变成：
$${\mathbf{u}}_v^{(t)}=\tanh ({\tilde{\mathbf{A}}}_v^{\top }\left[{\mathbf{h}}_1^{(t-1)\top }\dots {\mathbf{h}}_{(|S|+|y|)}^{(t-1)}{T}^{\top }\right),\forall v\in \mathcal{S}\cup \mathcal{U}$$
输入输出函数与3.2节一致。

ML-ZSL传播机制如图4所示。

• 从图片拿到一个图像特征x，每个节点都将该图像特征传入一个神经网络，输出一个是否包含这个节点表示的类的概率。**（我猜测是学习一个从图像特征到Word Embedding的映射，这样unseen节点也可以学习）**这样，获得了KG每个节点的初始值。这个过程其实每个节点都是一个分类器，会不断地训练这个分类器的权重。
• 每个节点（seen和unseen）的初始值确定后，接着确定邻接矩阵A的每条边的权重：
  • 从WordNet获得super-subordinate的联系
  • 计算每个标签对之间的WUP相似度来确定是什么类型的关联关系，来确定使用什么类型的关联函数
  • 确定关联类型之后，相同关联关系的标签对共享同一个关联函数${\mathbf{F}}_R^k$ ，计算A矩阵里的每个点的权重
• 确定A后，即可进行标签传播，计算出对应${\mathbf{u}}_v^{(t)}$，然后根据GRU门限计算出下一步的${\mathbf{h}}_v^{(t)}$
• 对于每一步的${\mathbf{h}}_v^{(t)}$ ，都有一个由全连接网络构成的输出层（输出函数${\mathbf{F}}_O$），输出图片中包含v代表的类的概率
• 最后对每一步每个节点的BCEloss进行加权，得到最后的loss，在反向传播回去，调整$F_O$ （全连接层），$GRUCell$ ，输入函数${\mathbf{F}}_I$ 。

总的来说，这个过程，其实是学习一个带有知识图谱的多标签分类器。

4. Experiment

4.1 Building the Knowledge Graph

Word Embedding：WordNet

标签关联类型，3种：

• super-subordinate(可以直接从WordNet提取)
• positive
• negative

对于pos、neg的标签相似度用WUP相似度计算。

在下面的实验中，KG一共有5步，即T=5.

4.2 数据集与Settings

数据集：NUS-WIDE（特别为ML-ZSL使用的）和Microsoft COCO（MS-COCO）

NUS-WIDE（网络图片数据集）

• 数量：共收集到269,648张，筛选后剩90360张图片
• 标签来自Flickr.
• 标签由1000个从网上收集的噪音标签和81个高质量的标签，分别把两个标签集命名为NUS-1000和NUS-81
• 去掉没有标签的图片

从图片中，使用ResNet-152来提取出2048-d的图像特征x。

数据集划分：

• 训练集75000张，验证集5000张，测试集10360张

MS-COCO：

• 大尺寸数据集
• 数据划分，遵循2014比赛的划分
  • 82783张训练，40504张测试
  • 移除没有标签的图片后，得到78081张训练图片，4000验证图片，40137张测试图片
• 标签：80个
• 同样使用ResNet-152提取2048-d的图像特征x

4.3 多标签分类任务

先来看ML的效果。

图片的标签tag都有排序，选择Top K的标签，这里K=3

验证集用来选一个合适的概率阈值来预测标签。

指标：precision（P）和recall（R）和F1

4.4 ML-ZSL and Generalized ML-ZSL

NUS-WIDE

unseen类：81个

seen：1000

4.5 传播机制的分析