이 글에서는 2013년 8월(v1) Alex Graves가 발표한 Generating Sequences With Recurrent Neural Networks를 살펴보도록 한다.

연구자의 홈페이지도 있다.

중요한 부분만 적을 예정이므로 전체가 궁금하면 원 논문을 찾아 읽어보면 된다.

Generating Sequences With Recurrent Neural Networks

논문 링크: Generating Sequences With Recurrent Neural Networks

초록(Abstract)

이 논문은 LSTM(Long Short-term Memory) RNNs이 어떻게 넓은 범위의 구조를 가진 복잡한 시퀀스(sequences, 문장 등)를 만들 수 있는지(= 단순히 어느 시점에 하나의 부분만 예측하는 방법)를 보여준다. 이 접근법은 텍스트(이산값)와 손글씨(실수값)에 의해 보여질 것이다. 그리고 네트워크가 텍스트 문장에 대해 예측을 수행함으로써 손글씨 합성으로까지 확장한다. 이 결과 시스템은 다양한 스타일의 정말 실제 같은 필기체를 생성할 수 있다.

1. 서론(Introduction)

RNNs(Recurrent Neural Networks)은 음악, 텍스트, 모션캡쳐 데이터 등과 같은 연속데이터를 생성하기 위해 사용되는 모델이다. RNN은 일반적으로 지금까지의 입력값과 모델 내부 parameter를 바탕으로 바로 다음 것이 무엇일지를 예측하는 모델이다.
RNN은 많은 경우 그 예측이 애매하며 불확실하다(fuzzy). 그 이유는 항상 확정적이며 똑같은 결과만을 내놓는다면 생성되는 문장이나 음악은 항상 똑같을 것인데 우리는 그런 것을 원하지 않으며, 또한 확률적인(stochastic) 방법이 정확한(exact) 일치 방법에 비해 차원의 저주(the curse of dimensionality)를 피하기 적합하며 그로 인해 시퀀스 또는 다변수 데이터를 모델링하는 데 더 뛰어나다.

이론적으로는 충분히 큰 RNN은 어떤 복잡한 시퀀스(sequences)도 생성할 수 있어야 한다. 그러나 Vanilla RNN은 최근 몇 개의 입력값을 기억하며 이에 의존할 뿐 멀리 떨어진 이전 또는 장기적인 정보를 거의 기억하지 못한다.
이를 많은 부분 해결한 것이 바로 LSTM이다. 이 역시 기본적으로는 이전 정보를 기억하는 RNN 구조를 따르지만 조금 더 복잡한 구조를 가지며 장기적(long-range) 정보를 저장하는 데 뛰어난 능력을 보인다.

이 논문에서는 다음과 같은 것들을 다룰 것이다.

• Section 2: LSTM을 여럿 쌓을 ‘deep RNN’을 정의하고 어떻게 다음 단계를 예측하는 데 필요한 학습을 진행하며 시퀀스를 생성하는지 보여준다.
• Section 3: Penn Treebank와 Hutter Prize Wikipedia 데이터셋에 대해 예측을 수행하고 state-of-the-art 수준임을 보인다.
• Section 4: mixture density output layer를 사용하여 어떻게 실제 데이터에 적용할 수 있는지와 IAM Online Handwriting Database에 대한 실험 결과를 보인다.
• Section 5: 예측 네트워크를 짧은 주석에 기반하도록 하여 확장시켜서 어떻게 손글씨 합성을 시킬 수 있는지를 보인다.
• Section 6: 결론과 함께 추후 연구 방향을 제시한다.

2. 예측 네트워크(Prediction Network)

위 그림은 이 논문에서 사용된 기본 RNN 모델의 구조이다. 입력값 $x = (x_1, …, x_T)$은 $N$층에 걸쳐 쌓인 재귀적으로 연결된 hidden layers를 통과하며 $h^n = (h_1^n, …, h_T^n)$ 를 계산하고 최종적으로 $N$층을 다 통과하면 출력벡터 시퀀스 $y = (y_1, …, y_T)$를 얻는다. 각 출력벡버 $y_t$는 가능한 다음 입력값 $x_{t+1}$에 대한 예측분포 $P(x_{t+1} \vert y_t)$를 뜻한다. 초기값 $x_1$은 언제나 null 벡터이다.

입력과 모든 hidden layer, 그리고 모든 hidden layer와 출력과 ‘skip-connections’이 존재함을 기억하라. 이는 vanishing gradient 문제를 피해 깊은 신경망(DNN)을 학습시키기 용이하게 한다. $N=1$인 경우에 vanilla RNN과 같음을 확인할 수 있다.

Hidden layer의 각 활성값은 $t=1…T, n=2…N$ 동안 반복적으로 계산된다:

[h_t^1 = \mathcal{H}(W_{ih^1x_t} + W_{h^1h^1}h^1_{t-1} + b^1_h)]

[h_t^n = \mathcal{H}(W_{ih^nx_t} + W_{h^{n-1}h^n}h^{n-1}{t} + W{h^nh^n}h^n_{t-1} + b^n_h)]

$W$는 각 레이어의 가중치 행렬이다. 은닉 시퀀스가 주어졌을 때, 출력 시퀀스는

[\hat{y_t} = b_y + \sum^N_{n=1} W_{h^n y h_t^n}]

[y_t = \mathcal{Y}(\hat{y_t})]

$\mathcal{Y}$는 출력레이어 함수이다.

입력시퀀스 $x$에 대해 예측분포와 시퀀스 손실함수는

[Pr(x) = \prod_{t=1}^T Pr(x_{t+1} \vert y_t)]

[\mathcal{L}(x) = -\prod_{t=1}^T \log Pr(x_{t+1} \vert y_t)]

로 정의된다.

LSTM의 구조에 대해서는 다른 블로그들에 자세히 잘 설명되어 있으니 참고하자.

3. 문자 예측(Text Prediction)

텍스트 데이터는 이산값이고, 이런 것들은 보통 ‘one-hot’ 방식으로 인코딩된다. 텍스트의 경우 단어(word) 수준으로 인코딩을 수행하게 되고, 이는 벡터의 크기가 단어 사전의 크기(보통 적어도 10만 이상)가 되는 문제가 발생한다.

최근에는 단어 수준 대신 문자 수준으로 예측을 수행하는 방법이 많이 고려되고 있다. 이 방법의 장점은

• 단어 수준 인코딩에 비해 성능이 별로 떨어지지 않으며
• 벡터의 크기가 작고
• 이전에 나타나지 안았던(unknown) 단어에 대한 대비가 필요 없어지며
• 새로운 단어를 만들 가능성도 생긴다.

따라서 이 논문에서는 문자 단위로 생성하는 모델을 고려할 것이다.

3.1. Penn Treebank Experiments

이 데이터셋은 Wall Street Journal corpus의 일부로 네트워크의 예측능력보다는 시퀀스 생성능력에 초점을 두고 실험할 것이다.
Penn Treebank 데이터셋은 100만 단어 정도의 작은 데이터셋이지만 언어 모델링 벤치마크에서 널리 사용된다. 93만 단어의 training set, 7만 4천 단어의 validation set, 8만 2천 단어의 test set을 포함한다. 단어는 1만 종류이며 나머지는 전부 unknown 처리되어 있다.

이 실험은 Penn corpus에 대해 단어 수준과 문자 수준의 LSTM 예측기의 성능을 비교하는 것이다. 두 경우 모두 1000개의 LSTM unit을 사용했고, 단어/문자 수준 벡터의 크기는 다르다(49 vs 10000, 가중치행렬의 크기는 4.3M vs 54M).

SGD(Stochastic Gradient Descent), learning rate 0.0001, momentum 0.99, LSTM derivates는 [-1, 1] 범위로 clip된다.

위 실험의 결과를 두 가지로 요약하면

• 단어 수준 모델이 문자 수준 모델보다 약간 더 성능이 좋다는 것과
• LSTM은 Vanilla RNN보다 훨씬 빠르고 새 데이터에 최적화된다는 것이다.

3.2. Wikipedia Experiments

2006년 Marcus Hutter, Jim Bowery, Matt Mahoney로부터 시작된 영문 위키피디아의 첫 1억(100M) 바이트의 데이터인 Wikipedia data는 다양한 단어와 문자를 포함한다. 아랍어나 중국어 등 비 라틴 알파벳 뿐만 아니라 메타데이터를 지정하는 XML 태그 등 그 종류가 꽤 방대하다.
첫 96M 바이트는 training set, 나머지 4M 바이트는 validation으로 사용된다. 데이터는 205 one-byte 유니코드 기호를 사용한다.

여기서는 더 큰 모델을 사용했다. 700 LSTM unit을 포함하는 7층짜리 네터워크로 가중치행렬의 크기는 21.3M이다. momentum이 0.9인 것을 제외하면 다른 조건은 같다.

Wikipedia는 글의 주제와 같은 수천 단어 이상일 수 있는 넓은 범위(long-range) 의존성을 포함하기 때문에 LSTM의 내부 상태는 매번 100 sequence 만큼만을 리셋한다. 즉 gradient를 근사하는 것인데, 이는 넓은 범위 의존성을 최대한 잃지 않으면서 학습속도를 높이는 방법이다.
아래 결과를 보면 Dynamic evaluation을 사용했을 때 성능이 더 좋게 나온다. 이는 위키피디아의 넓은 범위 일관성 때문인 것으로 보인다(예: 특정 단어들은 특정 글에서 더 빈번히 등장하며, 평가 중에 이에 맞출 수 있는 것이 더 유리하다).

논문에는 실제 위키피디아 페이지와, 예측 네트워크가 생성한 위키피디아 페이지를 보여주고 있는데 그 중 일부를 가져왔다.

보면 은근히 괜찮은 품질의 글을 생성해냈음을 볼 수 있다. 특히 봐줄 만한 이름들(Lochroom River, Mughal Ralvaldens, swalloped) 등의 모델이 직접 생성해낸 이름들이 눈의 띈다.

괄호나 따옴표를 여닫는 것은 언어 모델의 메모리에 명백히 이를 알려주는 지시자가 있는데, 이는 좁은 범위(short-range)의 문맥으로는 모델링될 수 없어서 중간 글자들만으로는 예측할 수 없기 때문이다. 위 샘플 결과는 괄호나 따옴표의 적절한 수를 지켰을 뿐만 아니라 nested XML tag 등도 잘 구현해 내었다.
네터워크는 비 라틴 문자들, 키릴 문자나 한자, 아랍 문자 등을 생성했고, 이는 영어보다 더 기본적인 모델을 배운 것으로 보인다. 이 경우에도 봐줄 만한 이름들을 생성했다.

4. 손글씨 예측(Handwriting Prediction)

예측 네트워크가 실수값 시퀀스(real-valued sequences)도 충분히 잘 생성할 수 있는지 확인하기 위해 online 손글씨 데이터에 이를 적용해 보았다(online 필기 데이터란 그냥 필기 이미지만 있는 offline 데이터와는 달리 펜으로 해당 필기를 할 때 어떤 궤적을 그렸는지에 대한 정보가 있는 것이다). IAM-OnDB 데이터셋을 사용하였다.
IAM-OnDB 데이터셋은 221명의 사람이 Lancaster-Oslo-Bergen 말뭉치를 쓴 필기 데이터이다.

4.1 혼합밀도 출력값(Mixture Density Outputs)

Mixture Density Outputs의 아이디어는 혼합분포(mixture distribution)을 parameterise하기 위해 신경망의 출력값을 사용하는 것이다. 출력값의 부분집합은 혼합가중치(mixture weights)를 정의하기 위해, 남은 출력값은 독립적인 mixture components를 parameterise하도록 사용된다. Misture weight 출력값은 정규화, softmax 등을 거쳐 의미 있는 범위 안에 포함되도록 한다. 이는 Boltzmann machine이나 다른 무방향 모델과는 달리 density가 정규화되고 직접 미불되며 편향되지 않는 샘플을 고른다는 점에서 대비된다.

손글씨 실험을 위해, 기본적인 RNN 구조는 Section 2에서 변하지 않았다. 각 입력벡터 $x_t$는 이전 입력으로부터의 pen offset을 정의하는 실수쌍 $x_1, x_2$로 구성되며, 벡터가 stroke로 끝나면(다음 벡터가 기록되기 전에 펜이 보드에서 떨어지면) 1, 아니면 0의 값을 갖는 이진값 $x_3$로 구성된다.
이변수 혼합 가우시안(A mixture of bivariate Gaussians)이 $x_1, x_2$를 베르누이 분포가 $x_3$을 예측한다.

각 출력벡터 $y_t$는 stroke로 끝날 확률 $e$, 평균 $\mu^j$, 표준편차 $\sigma^j$, 상관계수 $\rho^j$, $M$ mixture components에 대한 혼합가중치 $\pi^j$로 구성된다.

[x_t \in \mathbb{R} \times \mathbb{R} \times {0, 1}]

[y_t = \Big( e_t, { \pi_t^j, \mu_t^j, \sigma_t^j, \rho_t^j }_{j=1}^M \Big)]

평균과 표준편차는 2차원 벡터이고 나머지는 스칼라이다. 벡터 $y_t$는 네트워크 출력값 $\hat{y}_t$로부터 얻어지며,

[\hat{y}t = \Big( \hat{e}_t, { \hat{w}_t^j, \mu_t^j, \sigma_t^j, \rho_t^j }{j=1}^M \Big) = b_y + \sum_{n=1}^N W_{h^ny}h_t^n]

이다.

이 density map에서 두 종류의 예측을 볼 수 있다:

• 글자를 따라 존재하는 작은 점들(지금 써지고 있는 stroke를 예측)
• 세 개의 큰 원(다음 stroke의 시작점이 되는, stroke의 끝을 예측)

끝획(end-of-stroke)는 더 큰 분산을 갖는데 이는 화이트보드에서 펜이 떨어졌을 때 그 위치가 기록되지 않기 때문이며, 따라서 다음 stroke와의 거리가 커질 수 있다.

아래쪽 열지도는 갈은 sequence에서 misture component weights를 보여준다.

4.2 실험(Experiments)

네트워크는 RMSProp을 사용하였으며 가중치 업데이트 식은 다음과 갈다.

손글씨 예측 결과는 다음과 같다.

5. 손글씨 합성(Handwriting Synthesis)

손글씨 합성은 sequence가 매우 다른 길이를 가질 수 있고 그 사이의 alignment는 데이터가 생성되기 전까지 알려지지 않는다는 점에서 어렵다. 이는 각 글자가 필체, 크기, 펜 속도 등에 따라 매우 달라지기 때문이다.

연속적인 예측을 할 수 있는 한 신경망 모델은 RNN transducer이다. 그러나 이전 연구 결과들은 만족스럽지 못하다.

5.1. 합성 네트워크(Synthesis Network)

네트워크 구조는 다음과 같다.

길이 $U$의 글자 sequence $c$가 주어지고 길이 $T$의 data sequence $x$가 주어졌을 때, 시간 $t(1\le t \le T)$에서 $c$로의 soft window $w_t$는 $K$ Gaussian 함수의 혼합에 의해 정의된다:

[\phi(t, u) = \sum_{k=1}^K \alpha_t^k \text{exp} \Big( - \beta_t^k (\kappa_t^k - u)^2 \Big)]

[w_t = \sum_{u=1}^U \phi(t, u)c_u]

$\phi(t, u)$는 시간 $t$에서 $c_u$의 window weight이고, $\kappa_t$는 window의 위치를 제어하며, $\beta_t$는 window의 너비를, $\alpha_t$는 혼합 내에서 window의 중요도를 제어한다.

5.2. 실험(Experiments)

실험은 이전 section과 동일한 입력 데이터를 사용한다. IAM-OnDB는 이제 글자 sequence $c$를 정의한다.

5.3~5.5 Sampling(Unbiased, Biased, Prime Sampling)

Bias를 다르게 하는 등의 변형을 거쳐 손글씨를 합성한 결과를 몇 개 가져왔다.

Refenrences

논문 참조. 33개의 레퍼런스가 있다.

이 글에서는 2019년 ICML(International Conference on Machine Learning)에서 어떤 논문들이 accept되어 발표되었는지를 알아볼 것이다. 3424개의 논문이 접수되어 774개의 논문만이 구두 및 포스터 발표로 진행되었다.

논문 리스트는 목차와 같다. 774개를 다 살펴볼 수는 없으므로 몇 개만 추려서 최근 동향을 살펴보도록 하자.

Training Neural Networks with Local Error Signals

이 논문은 표현(representation)에 대한 것인데, 논문에 쓰인 표현들이 참 어렵다.

초록을 대략 번역하자면,

풀린 표현(disentangled representation)의 무감독 학습(unsupervised learning)의 핵심 아이디어는 ‘실제 세계의 데이터는 무감독 학습 알고리즘에 의해 복구될 수 있는 몇 가지 설명요인에 의해 생성된다’는 것이다.

이 논문에서, 풀린 표현의 무감독 학습은 모델과 데이터 모두에 대해 귀납적 편향(inductive biases) 없이는 본질적으로 불가능하다는 것을 이론적으로 보일 것이다. 또한 6개의 최신 무감독 풀림 학습(unsupervised disentangled learning) 방법과 풀림 측정방식(disentangled measures)을 구현하여 이를 여러 데이터셋에 대해 12000개 이상의 모델을 학습시킬 것이다.

이로써

• 여러 방법들이 ‘대응되는 loss에 의한’ 성질들을 강제함에도 불구하고 감독 없이는 잘 풀린(well-disentangled) 모델은 식별될 수 없다는 사실과(역자 주: 모델이 식별될 수 없다는 것은 이를테면 두 가지 모델이 생성한 각각의 결과가 있을 때, 그 결과만 보고 원래 모델이 무엇이었을지를 알 수 없다는 뜻이다),
• ‘풀린 정도가 증가한(increased disentanglement)’ 것도 downstream task의 학습의 샘플 복잡도의 감소로 이어지지는 않는다는 것

을 알아내었다.

이같은 결과는 앞으로 풀린 학습에 대한 연구는

• 명백히 귀납적 편향과 감독에 의해야 하며,
• 학습된 표현의 풀림을 강제하는 것의 구체적인 이점을 조사하며,
• 여러 데이터셋을 다룰 수 있는 재현 가능한 실험 설정을 고려해보아야 한다

는 것을 말해준다.

실제 논문 서론에서 주장하는 contribution은,

• 풀린 표현의 무감독 학습은 ‘학습방법과 데이터셋 모두에 대한 귀납적 편향’ 없이는 본질적으로 불가능함을 이론적으로 보인 것
• 현재의 여러 무감독 풀림 학습 방법들을 조사 및 구현하여 이를 여러 데이터셋과 모델을 학습시킨 것
• 풀린 표현을 학습하고 평가하는 disentanglement_lib라는 새로운 라이브러리를 공개한 것
• 상당한 계산량을 필요로 하는 1만 개 이상의 사전 학습된(pre-trained) 모델을 공개한 것
• 무감독 풀림 학습에 대한 여러 생각들을 검증해보았다:
  • 고려된 모든 방법들이 샘플링된 posterior들의 차원(dimensions)의 독립성을 보장한다고 해도, 표현의 차원을 상관관계가 있다.
  • random seed와 hyperparameter이라는 무감독 조건 하에서 고려된 모델들이 풀린 표현을 더 잘 학습한다는 증거가 없다.
  • (데이터셋을 통한 훌륭한(학습이 잘 되는) hyperparameter들을 주는 것을 허용한다 할지라도) ‘ground-truth 레이블에 접근할 수 없는’ 잘 학습된 모델은 식별될 수 없다.
  • 고려된 모델과 데이터셋에 대해, 학습의 샘플 복잡도의 감소와 같은 downstream task에 풀림이 유용하지 않다.
• 실험 결과에 의해, 향후 연구에 대한 세 가지 중요한 부분을 제안하였다: 이는 초록 부분과 같다.

Rates of Convergence for Sparse Variational Gaussian Process Regression

초록

Gaussian process posteriors에 대한 훌륭한 변분 근사법(variational approximations)은 데이터셋 크기 $N$에 대해 $O(N^3)$의 시간이 걸리는 것을 막기 위해 개발되었다. 이 방법은 시간복잡도를 $O(N^3)$에서 $O(NM^2), M \ll N $의 시간으로 줄여 주었다.
$M$은 이 preocess를 요약하는 유도변수(inducing variables)인데, 수행시간은 $N$에 선형 비례함에도 불구하고 실제로는 근사의 품질을 결정하는 $M$이 얼마나 큰지에 실질적인 영향을 더 받는다.
이 논문에서, $N$에 비해 훨씬 느리게 증가하는 어떤 $M$에 대해 높은 확률로 KL divergence를 임의로 작게 만들 수 있음을 보인다. 특히 Square Exponential kernel을 쓰는 D차원의 정규분포 입력에 대한 회귀의 경우 $M = O(log^D N)$이면 충분하다.
이 논문의 결과는 데이터셋이 커질수록 Gaussian process posteriors는 적은 비용으로 근사될 수 있으며, 연속학습 시나리오(continual learning scenarios)에서 $M$을 증가시키는 구체적인 방법을 보이는 것이다.

서론

Gaussian processes(GPs)는 베이지안 모델에서 convenient priors인 함수에 대한 분포이다. 이는 좋은 불확실성 측정을 해내기 때문에 특히 회귀 모델에서 자주 사용되며, 사후확률(posterior)과 주변확률(marginal likelihood)에 대한 닫힌 표현(closed-form expressions)를 가진다. 이것의 가장 큰 단점은 학습 데이터 수 $N$에 대해 $O(N^3)$의 계산량과 $O(N^2)$의 메모리를 쓴다는 것이다. Low-rank approximations(Quiñonero Candela & Rasmussen, 2005)는 전체 사후확률을 요약하는 $M$개의 유도변수를 사용하여 계산량을 $O(NM^2 + M^3)$, 메모리 사용량을 $O(NM + M^2)$로 줄였다.

유도변수를 추가함으로써 계산량이 줄어드는 것은 알려져 있지만, 얼마나($M$) 필요한지에 대한 정보는 별로 없다. 데이터셋이 커질수록 우리는 품질저하 없이 근사상수의 수용력이 얼마나 될지 기대할 수 없다. 단지 $N$이 커질수록 $M$이 커져야 한다는 것만 알 뿔이다.

근사 GPs는 종종 근사사후확률에서 전체사후확률과정으로의 KL divergence를 최소화하는 변분추론(variational inference)을 써서 학습된다(Titsias, 2009, Matthews et al, 2016). 이 논문에서는 근사사후확률의 품질을 위한 측정방법으로 KL divergence를 사용한다.
직관적인 가정 하에 유도변수의 수는 선형보다 느리게 증가하는 정도면 된다(예: 로그함수). 이는 많은 편향(bias)의 필요 없이 정확도와 불확실성에 대한 정확도를 보유한 근사사후확률만으로 큰 데이터셋에 대해 아주 희박한 근사만 있어도 된다는 것을 보여준다.

이 논문에서 나오는 증명의 핵심 아이디어는 데이터의 공분산행렬에 대한 Nyström 근사의 품질에 의존하는 KL divergence의 상한(상계)를 사용하는 것이다. 이 error는 무한차원의 필수연산자라는 개념으로 이해될 수 있다. Stationery kernel에 대해 메인 결과는 사전확률(priors)는 샘플함수보다 더 매끈하며(smoother) 더 집중되어 있는(more concentrated) 데이터셋은 더 희박한(sparse) 근사만으로도 충분하다는 것이다.

메인 결과

학습 입력은 고정된 독립항등분포로부터 나온 것이라는 가정 하에, 적어도 $1-\delta$의 확률로

[KL(Q \Vert \hat{P}) \le \mathcal{O} \Bigg( \frac{g(M, N)}{\sigma^2_n \delta}\Big(1 + \frac{c\Vert y \Vert^2_2}{\sigma^2_n}\Big) + N \epsilon \Bigg)]

$\hat{P}$은 posterior Gaussian process, $Q$는 변분근사, $y$는 학습 목표(training targets)이다.
함수 $g(M, N)$은 kernel과 입력의 분포에 의존하며, $N$에 따라 선형적으로 증가하며 $M$에 따라 빠르게 감소한다.
$\epsilon$은 초기품질을 결정짓는 인자로서 약간의 계산을 추가하여 임의로 작게 만들 수 있다($N$의 역승).

참고: Gaussian process regression

학습 데이터

[\mathcal{D}= { x_i, y_i }^N_{i=1}, x_i \in \chi, y_i \in \mathbb{R}]

가 관측되었을 때 Gaussian process regression을 고려해본다. 이 때 목표는 학습데이터의 제한된 수로 인해 $f(\cdot)$에 대한 불확실성을 갖고 있을 때 새로운 입력 $x^\ast$에 대해 출력값 $y^\ast$를 예측하는 것이다. $f$에 대한 사전확률을 두는 베이지안 접근법과 약간의 noise를 가진 곽츤 데이터에 대한 $f$의 우도를 고려할 때, 모델은

[f \sim \mathcal{GP}(\nu(\cdot), k(\cdot, \cdot)), \ y_i = f(x_i) + \epsilon_i, \ \epsilon_i \sim \mathcal{N}(0, \sigma^2_n)]

$\nu : \chi \rightarrow \mathbb{R}$은 평균함수이고 $k : \chi \times \chi \rightarrow \mathbb{R}$은 공분산함수이다. 로그주변우도(log marginal likelihood)는 근사의 품질과 사후확률근사가 연관되어 있다는 점에서 흥미로우며, 이는

[\mathcal{L} = -\frac{1}{2} y^T K_n^{-1} y - \frac{1}{2} log \vert K_n \vert - \frac{N}{2} log(2\pi), \quad K_n = K_{ff} + \sigma^2n I, \ [K{ff}]_{i, j} = k(x_i, x_j)]

으로 표현된다.

Training Neural Networks with Local Error Signals

최근 분류(classification)를 위한 신경망의 감독학습(supervised learning)은 보통 global loss function을 사용하여 이루어졌다. 즉, 모델을 학습시키는 데 있어서 하나의 loss function만을 설정해 두고, prediction 단계에서 계산한 loss로 backward pass 동안 gradient를 계산하며 weights를 업데이트하는 역전파(back-propagation) 과정을 거쳐왔다.

그러나 이 논문에서는 하나의 loss function을 모델의 모든 레이어에 걸쳐 global하게 사용하는 대신 각 레이어별로 loss function을 설정하여 실험하였고, 이 방법은 생물학적으로 그럴듯하고(biologically plausible) 그러면서도 여전히 state-of-the-art 결과를 얻을 수 있음을 보여주었다.

Global loss function의 사용은 다음과 같은 문제를 갖는다.

1. Backward locking problem: hidden layer의 weights들은 forward & backward pass가 끝날 때까지 업데이트되지 않는다. 따라서 weights update의 병렬화가 어렵다.
2. Preventing reuse of the memory: hidden layer의 activation들을 backward pass가 끝날 때까지 메모리에 상주시켜야 하기 때문에 메모리 사용량이 늘어난다.
3. Biologically implausible: global loss의 역전파는 신경망이라는 관점에서 생물학적으로 별로 타당하지 않다.

이 논문에서, backward locking problem은 지역적으로(각 레이어별로) 측정된 error에 의해 각각 학습시킴으로써 해결될 수 있음을 보인다. Local loss function은 global error에 의존하지 않고, gradient는 해당 레이어를 제외한 그 이전 레이어에 전파되지 않으며, hidden layer는 forward pass 중간에도 업데이트될 수 있다.
추론(inference) 단계에서 네트워크는 global 역전파를 쓰는 것과 같이 움직인다. 그러나 hidden layer가 업데이트될 때, gradient와 activation은 더 이상 메모리에 남아 있을 필요가 없다.
따라서 모든 레이어를 동시에 학습시킴에도, 지역적으로 측정된 error는 각 레이어를 학습시키며 이것을 메모리 사용량과 학습 시간을 줄여줄 수 있게 된다.

관련 연구는 Local Loss Functions, Similarity Measures in Neuroscience/Machine Learning 등이 있다(논문 참조).

표준 convolutional & fully connected 네트워크 구조를 사용하여, global loss 대신 각 레이어별로 (이전 레이어로 전파되지 않는) local learning signal을 설정했다. 이 signal은 2개의 single-layer sub-networks로 분리되어, 각각은 서로 다른 loss function을 갖는다. 하나는 표준 cross-entropy loss이고, 다른 하나는 similarity matching loss이다.

논문에서는 여러 loss를 정의하는데,

• sim loss: mini-batch의 example들 간 pair-wise 유사도를 담고 있는 두 행렬간 L2 거리를 측정하는 similarity matching loss이다.
• pred loss: target과 local classifier의 prediction 간 cosss-entropy loss를 측정한다.
• sim-bpf loss & pred-bpf loss: Backprop free version을 만들기 위해, global target이 각 hidden layer로 전파되는 것을 막는다. sim loss에서는 one-hot encoded target vector 대신 random transformation target vector를, pred loss에서는 binarized random transformation target vector를 사용한다.
• predsim & predsim-bpf loss: sim과 pred를 조합해서 전체 loss를 만들었다.

[L_{predsim} = (1-\beta)L_{pred} + \beta L_{sim}]

[L_{predsim-bpf} = (1-\beta)L_{pred-bpf} + \beta L_{sim-bpf}]

실험은 MNIST, Fashion-MNIST, Kuzushiji-MNIST, CIFAR-10, CIFAR-100, STL_10, SVHN에 대해서 각각 진행하였다.

결과를 요약하자면 단지 local pred loss만으로도 global 역전파를 사용한 것과 거의 같은 성능을 보였고, predsim이나 predsim-bpf를 사용한 경우 state-of-the-art 결과를 얻을 수 있었다고 한다.

따라서 이 논문의 contribution은 loss function을 굳이 global하게 만들지 말고 각 레이어별로 local loss function을 만들어서 backward locking problem과 parallelization을 해결하는 것이 학습속도, 생물학적 타당성, 분류 성능을 다 잡을 수 있다는 가능성을 보여준 것이 되겠다.

이 글에서는 MovieQA: Understanding Stories in Movies through Question-Answering에 대해 알아보고자 한다.

VQA task는 이미지(Visual, 영상으로도 확장 가능)와 그 이미지에 대한 질문(Question)이 주어졌을 때, 해당 질문에 맞는 올바른 답변(Answer)을 만들어내는 task이다.

MovieQA는 Vision QA의 확장판과 비슷한 것이라고 보면 된다. 그러나 크게 다른 점은 사진 한 장과 QA셋이 아닌 Movie Clip과 QA셋으로 학습 및 테스트를 진행한다는 것이다. 사진이 영상으로 바뀐 만큼 당연히 난이도 역시 증가하였다.

MovieQA 홈페이지는 http://movieqa.cs.toronto.edu/home/ 이다.

중요한 부분만 적을 예정이므로 전체가 궁금하면 원 논문을 찾아 읽어보면 된다.

MovieQA: Understanding Stories in Movies through Question-Answering

논문 링크: MovieQA: Understanding Stories in Movies through Question-Answering

초록(Abstract)

우리는 video와 text 모두를 통해 자동적 스토리 이해를 평하가는 MovieQA 데이터셋을 소개할 것이다. 이 데이터셋은 408개의 영화(movie)에 대한 아주 다양한 의미의 14,944개의 질문으로 이루어져 있다. 이 질문들은 ‘누가’ ‘누구에게’ ‘무엇을’ ‘어떻게’ ‘왜’ 했는지까지의 범위를 포함한다. 각 질문에는 5개의 답이 있는데 1개만 맞는 답이며 4개는 사람이 직접 만든 가짜 답이다. 우리의 데이터셋은 영상클립, 줄거리, 제목, 자막, DVS 등 많은 소스들을 포함한다는 점에서 유일하다. 우리는 이 데이터셋을 다양한 통계적 방법으로 분석했으며 존재하는 QA 기술들을 확장하여 열린 의미의 QA로 하는 것은 어렵다는 것을 보일 것이다. 우리는 이 데이터셋을 평가방법과 함께 일반에 공개하여 도전을 장려할 것이다.

서론(Introduction)

이미지 태깅, 물체인식 및 분할, 액션 인식, 이미지/비디오 캡셔닝 등 많은 시각적 task에서 레이블링된 많은 양의 데이터가 사용 가능해진 것과 함께 딥러닝에서 빠른 발전이 있었다. 우리는 시각장애가 있는 사람들을 위한 보조적인 해결책이나, 일반적인 framework에서 이런 모든 task들을 추론에 의해 실제 세계를 전체적으로 인식하는 인지로봇과 같은 application에 한 걸음 더 다가갔다. 그러나 정말 ‘지능적인’ 기계는 동기, 의도, 감정, 의사소통 등 높은 수준의 것을 포함한다. 이러한 주제들은 문학에서나 겨우 탐험이 시작되었다.

(눈에 보이는) 장면을 이해하는 것을 보여주는 훌륭한 방법은 그것에 대한 질문-답변을 하는 것이다. 이러한 생각은 각 이미지에 대해 여러 질문들과 다지선다형 답변을 포함한 질문-답변 데이터셋을 만드는 것으로 이어졌다.
이러한 데이터셋은 RGB-D 이미지 또는 Microsoft COCO와 같은 정지 이미지의 거대한 모음집에 기반한다. 전형적인 질문으로는 ‘무엇이(what)’ 거기에 있고 ‘어디에(where)’ 그것이 있는지와 같은 것, 물체가 어떤 성질을 갖는지, 얼마나 많은 ‘특정 종류의 물건’이 있는지 등이 있다.
이러한 질문들은 전체적인 자연에 대한 우리의 시각적 알고리즘을 확인시켜주기는 하지만, 정지 이미지에 대해 물어볼 수 있는 태생적인 한계가 존재한다. 행동과 그 의도에 대한 높은 수준의 의미 이해는 오직 순간적, 또는 일생에 걸친 시각적 관찰에 의한 추론에 의해서만 가능하다.

영화(Movies)는 사람들의 삶과 이야기, 성격에 대한 높은 수준의 이해, 행동과 그 이면에 숨겨진 동기와 같은 것들을 이해할 수 있도록 하는 짤막한 정보를 우리에게 제공한다. 우리의 목표는 ‘복잡한 영상과 그에 맞는 텍스트(자막) 모두를 포함한 것을 이해하는 기계’를 측정하는 질문-답변 데이터셋을 만드는 것이다. 우리는 이 데이터셋이 다음 수준의 자동적인 ‘정말로’ 이해를 하는 기계를 만드는 것을 촉진하는 것이 되었으면 한다.

이 논문은 영화에 대한 거대한 질문-답변 데이터셋, MovieQA를 소개한다. 이는 408개의 영화와 14,944개의 5지선다형 질문을 포함한다. 이 중 140개의 영화(6,462개의 질답)에는 영화의 질문-답변 부분에 해당하는 time stamp가 붙어 있다.
이 질문들은 ‘누가’ ‘무엇을’ ‘누구에게’ 같이 시각적으로만 풀 수 있는 것과 ‘왜’ ‘어떻게’ 무슨 일이 일어났냐는 시각정보와 대사(텍스트)를 모두 사용해야만 답을 추론할 수 있는 질문들을 포함한다.
우리의 데이터셋은 영상클립, 제목, 자막, 줄거리, DVS를 포함하는 다양한 출처의 정보를 포함하는 유일한 데이터셋이다. 우리는 이를 통계적으로 분석할 것이며 또한 존재하는 질답 기술을 우리의 데이터에 적용하고 이러한 open-ended 질답이 어려운 것을 보일 것이다.
우리는 leaderboard를 포함한 온라인 벤치마크 사이트를 만들어 두었다.

관련 연구(Related Works)

• Video understanding via language: 영상 범위에서 시각 및 언어정보를 통합시킨 연구는 더 적은 연구만이 존재한다. LSTM을 사용한 영상클립에 캡션을 다는 것 등이 있었다.
• Question-answering: 자연언어처리에서 인기 있는 task이다. Memory network나 deep LSTM, Bayesian approach 등이 사용되고 있다.
• QA Datasets: NYUv2 RGB-D와 같은 데이터셋이나, 100만 단위의 MS-COCO 데이터셋 등이 있다.

MovieQA 데이터셋(MovieQA Dataset)

앞서 언급했듯이 408개의 영화와, 위키피디아에서 가져온 줄거리(시놉시스)를 포함한다. 또한 영상, 제목, DVS, 대사 스크립트를 포함한다.

이 부분의 주된 내용은 영화, 질문, 답변에는 어떤 종류가 있고, 어느 비율만큼 어떤 것이 있는지에 대한 통계 자료들이다. 자세한 내용은 궁금하면 논문을 직접 읽어보는 것이 빠르다.

다지선다형 질문-답변(Multi-choice Question-Answering)

여기서는 질답을 위한 여러 지능적인 기준선(intelligent baselines)를 조사하려 한다.

• $S$를 이야기(줄거리, 제목, 비디오 샷을 포함한 어떤 정보든 포함)라 한다.
• $q^S$는 하나의 질문이다.
• ${a^S_j}^M_{j=1}$은 질문 $q^S$에 대한 여러 답변이다. 여기서 $M=5$이다(5지선다형이므로).
• 그러면 다지선다형 질답의 일반적인 문제느 3방향 득점 점수 $f(S, q^S, a^S)$로 나타낼 수 있다.
  • 이 함수는 이야기와 질문이 주어졌을 때 답변의 “Quality”를 평가한다.
• 우리의 목표는 이제 $f$를 최대화하는 질문 $q^S$에 대한 답변 $a^S$를 선택하는 것이다:

[j^\ast = \text{argmax}_{j=1 … M} \ f(S, q^S, a^S_j)]

아래는 모델의 한 예시이다.

모델은 ‘The Hasty Student’, ‘Searching Student’, ‘Memory Network’, ‘Video baselines’ 등을 포함한다.

결론(Conclusion)

이 논문에서는 영상과 텍스트 모두를 아우르는 자동적 이야기 이해 평가를 목표로 하는 MovieQA 데이터셋을 소개하였다. 우리의 데이터셋은 영상클립, 제목, 대사 스크립트, 줄거리, DVS 등 다양한 출처의 정보를 포함한다는 점에서 유일하다. 우리는 여러 지능적인 기준선과 우리의 task의 난이도를 분석하는 원래 존재하던 질답 기술을 연장시키기도 했다. 평가 서버를 포함한 우리의 벤치마크는 온라인에서 확인할 수 있다.

참고문헌(References)

논문 참조!

모델들에 대한 자세한 설명들은 생략하였다. Student 모델같은 경우에는 이름부터 꽤 흥미롭기 때문에 한번쯤 찾아보는 것을 추천한다.

이 글에서는 VQA: Visual Question Answering에 대해 알아보고자 한다.

VQA task는 이미지(Visual, 영상으로도 확장 가능)와 그 이미지에 대한 질문(Question)이 주어졌을 때, 해당 질문에 맞는 올바른 답변(Answer)을 만들어내는 task이다.

아래는 서울대학교 공대뉴스광장을 인용하였다.

VQA Challenge는 2016년 CVPR을 시작으로 매년 개최되며, 1년마다 발전된 기술을 평가하고 시상하고 있다. 2017년부터는 같은 질문에 비슷한 이미지를 보여주고 다른 답변을 하는 데이터를 VQA 2.0 데이터셋 통해 수집한 후 인공지능의 유효성을 엄밀히 평가한다.
예를 들어 ‘누가 안경을 쓰고 있나?’라는 질문에 비슷한 이미지가 주어지면 ‘남자’ 또는 ‘여자’의 답을 가질 수 있도록 데이터의 분포를 고려하는 것. VQA 2.0 데이터셋은 20만 개의 이미지에 대해 110만 개의 질문과 1100만 이상의 답을 가지며, VQA 1.0보다 1.8배의 데이터를 가지고 있다.

VQA Challenge는 컴퓨터비전패턴인식학회(IEEE Computer Vision and Pattern Recognition, CVPR) 워크샵 중 하나이며, VQA Homepage에서 매년 열린다. 관심 있으면 클릭해 보자.

국내 연구팀의 대표적인 성과로는 2016년 네이버랩스 2위, 2018년 서울대 장병탁교수팀 2위가 있겠다.

VQA Challenge라고 하는 것은 Aishwarya Agrawal, Jiasen Lu, Stanislaw Antol, Margaret Mitchell, C. Lawrence Zitnick, Dhruv Batra, Devi Parikh 등의 연구자가 일종의 Challenge로서 제안한 것이기 때문에, 이를 중심으로 설명한다. 그렇기 때문에 논문이기도 하면서 동시에 새로운 task를 제안하겠다는 느낌이 강하다.

중요한 부분만 적을 예정이므로 전체가 궁금하면 원 논문을 찾아 읽어보면 된다.

VQA: Visual Question Answering

논문 링크: VQA: Visual Question Answering)

초록(Abstract)

이 논문에서는 VQA task를 제안한다. VQA task는 이미지(Visual, 영상으로도 확장 가능)와 그 이미지에 대한 질문(Question)이 주어졌을 때, 해당 질문에 맞는 올바른 답변(Answer)을 만들어내는 task이다.
VQA를 성공적으로 수행하기 위한 시스템은 이미지 captioning을 하는 시스템보다 더 높은 수준의 이미지 이해도와 복잡한 추론능력을 가져야 한다. 또한 (간단한 수준의 답변만 하는 것은 좋지 않기 때문에 이를) 자동으로 평가하는 것도 가능해야 한다. 우리는 25만 장의 이미지와, 76만 개의 질문, 1000만 개의 답과 그에 대한 정보를 제공한다. 많은 기준과 방법들은 사람의 수행능력과 비교한다. VQA Demo는 CloudCV에서 볼 수 있다.

참고) 2019.04.17 현재 논문에 링크된 CloudCV Demo는 404 error가 뜨는 중이다.

서론(Introduction)

Computer Vision(CV), Natural Language Processing (NLP), Knowledge Representation & Reasoning (KR)를 결합한 이미지 캡셔닝(captioning)은 지난 몇 년간 급격히 발전해 왔다. 그러나 이 task는 별로 “AI-complete”하지 못하다(그다지 인공”지능”스럽지 않다).
그러면 “AI-complete”하지 못하다는 것은 무엇인가? 이 논문에서는 좀 더 자유로운 형식에 열린 형태인 VQA(Visual Question Answering)을 제안하고자 한다. 이러한 답변을 제대로 하기 위해서는 다양한 AI 능력들이 필요하다:

• 세밀한 인식(“이 피자엔 어떤 종류의 치즈가 있는가?”)
• 물체 감지(“얼마나 많은 자전거가 있는가?”)
• 행동인식(“남자는 울고 있는가?”)
• 지식기반 추론(“이것은 채식주의자를 위한 피자인가?”)
• 상식 추론(“이 사람은 20/20 시력을 갖고 있는가?”, “이 사람은 회사를 원하는가?” 참고: 20/20은 1.0/1.0과 같음)

또한 VQA 시스템은 자동으로 평가가 가능해야 한다. 이 논문에서는 열린 문제(open-ended, 답변의 가능성이 다양함)와 다지선다형(multiple-choice) task를 둘 다 본다. 다지선다형 문제는 열린 문제와는 다르게 단지 정해진 답변 중 옳은 것을 고르기만 하면 된다.

데이터셋은 COCO 데이터셋에 5만 개를 더 추가했다. 데이터 수는 초록에도 나와 있다. 또한 이미지 캡셔닝이랑 무엇이 다른지에 대한 설명도 나와 있다.

관련 연구(Related Works)

• VQA Efforts: Visual Question Answering은 이전에도 다뤄진 적이 있긴 한데, 여기서 제안하는 것보다 훨씬 제한된 환경과 제한된 데이터셋 안에서 다룬다. 물체의 종류도 적고, 답변의 단어 등도 제한적이다. 이 VQA task는 그렇지 않다. free-form, open-ended이다.
• Text-based Q&A: 이 문제는 NLP와 텍스트 처리 분야에서 잘 연구되었다. VQA 기술에 도움이 될 몇 가지 접근법이 있다. 이 경우 질문은 텍스트를 기반으로 이루어진다. VQA는 text와 vision 모두에 의존한다.
• Describing Visual Content: 이미지 태깅, 이미지 캡셔닝, 비디오 캡셔닝 등이 VQA와 관련이 있다. 그러나 그 캡션은 vision에 특화된 것이 아닌 지나치게 일반적인(많은 이미지에 대해 동일한 캡션을 써도 말이 됨) 경우가 있다.
• Other Vision+Language Tasks: 이미지 캡셔닝보다 평가가 쉬운 coreference resolution, generating referring expressions 등의 task가 있다.

VQA 데이터셋(VQA Dataset Collection)

사실 이미지 한장이면 충분할 듯 하다.

잘 안 보이니까 일부만 확대하겠다.

• 약 20만 장의 현실 이미지와 약 5만 장의 추상적인 이미지가 있다.
• Training / Validation / Test 셋이 나누어져 있다. 그 나누는 비율도 정해져 있다(추상 이미지의 경우 20K/10K/20K). subsplit은 없다.
• 이미 MS COCO 데이터셋은 이미지당 5개의 한 문장짜리 캡션이 있으므로, 추상 이미지에도 그만큼 붙여서 만들었다.
• 흥미롭고, 다양하고, 잘 만들어진 질문을 모으는 것은 매우 중요한 문제이다.
  • “저 고양이의 색깔은 무엇인가?”, “지금 몇 개의 의자가 이미지에 있는가?” 같은 질문은 너무 단순하다.
  • 그러나 우리는 “상식”을 필요로 하는 질문을 원한다. 또, 상식”만”으로 대답할 수 있는 질문은 안 된다.
    • 예를 들면 “사진의 저 동물은 어떤 소리를 낼 것 같은가?” 같은 질문이다.
    • “콧수염은 무엇으로 만들어지는가?” 같은 질문은 의미 없다.
  • 그래서 총 76만 개 정도의 질문을 확보하였다.
• 많은 질문들에 대해서는 yes/no만 해도 충분하다. 그러나 그렇지 않은 것들도 있다.
• 열린 형태(open-ended) 질문들은 다음 metric에 의해 평가된다.
  • $ \text{accuracy} = min({\text{그 답변을 한 사람의 수} \over 3}, 1) $
• 다지선다형(객관식) 문제는 18개의 선택지가 있다.
  • 이외에도 다양한 형태의 문제가 존재한다.

VQA 데이터셋 분석(VQA Dataset Analysis)

데이터의 정확한 수, 질문의 종류 및 수, 답변의 종류 및 수, 질답의 길이 등에 대한 분포 등이 수록되어 있다.

• 질문에는 “What is…”, “Is there…”, “How many…”, “Does the…” 같은 질문들이 있다. 질문의 길이는 4~8단어가 대부분이다.
• 답변에는 yes/no, 색깔, left/right 등의 답변이 많다. 1 / 2 / 3단어인 경우가 대략 90%, 6%, 2.5% 정도씩 있다.
• 상식을 필요로 하는 질문은 위에서 설명한 대로 당연이 이미지에서도 정보를 얻어야 답변이 가능하다.

task를 제안하는 것인만큼 데이터에 대한 정보가 매우 자세하다. 아래 그림 같은 정보도 있다. 여러 종류의 질문에 대해 답변이 어떤 단어가 어떤 비율로 있는지 등을 나타낸다.

VQA 기준선과 방법(VQA Baselines and Methods)

Baselines

• random: 무작위로 답변을 선택한다.
• prior(“yes”): “yes” 답변이 가장 많기 때문에 항상 yes를 답으로 내놓는다.
• per Q-type prior: 각 질문 종류별로 답변 중 최빈값을 답으로 내놓는다.
• nearest neighbor: 가장 유사한 K개의 질문을 뽑아 그 답변들 중 최빈값을 답으로 내놓는다.

Methods

• Image Channel: 이미지를 위한 embedding을 제공한다.
  • I: VGGNet의 마지막 hidden 레이어가 4096차원의 embedding으로 사용된다.
  • norm I: 위와 비슷하나 $l_2$ 정규화된 활성함수를 사용
• Question Channel: 질문을 위한 embedding을 제공한다.
  • Bag-of-Words Question(BoW Q): 질문의 최빈 1000개의 단어와 30차원의 BoW를 사용하여 1030차원의 질문 embedding을 만든다.
  • LSTM Q: 1024차원이다.
  • deeper LSTM Q: 2048차원이다.
• Multi-Layer Perceptron(MLP):
  • BoW Q + I에 대해서는 단지 concatenate한다.
  • LSTM Q + I, deeper LSTM Q + norm I에 대해서는 이미지 embedding은 차원을 맞추기 위해 1024차원으로 변환된 후 LSTM embedding과 element-wise하게 곱해진다.

Results

방법에 따라서는 28.13%/30.53%(각각 open-ended와 multiple-choice)를 나타낸 것부터 58.16%/63.09%를 나타낸 모델(deeper LSTM Q + norm I)까지 결과는 다양하다.
따라서 적어도 60%는 넘어야 의미 있는 VQA 시스템이라고 할 수 있을 것이다.

VQA Challenge and Workshop

CVPR 2016에서부터 1년 간격으로 열린다. 테스트 서버도 준비되어 있다.

결론 및 토의(Conclusion and Discussion)

이 논문에서는 VQA task를 제안하였고, 그에 맞는 데이터를 제공하였다.
우리는 VQA가 자동평가가 가능한 “AI-complete” 문제를 풀기 위한 한계를 끌어올리기에 적합하다고 생각한다. 이를 위한 노력에 드는 시간도 가치가 있다고 여겨진다.

참고문헌(References)

논문 참조!

결론 이후에도 많은 정보가 있으니 참조하면 좋다. 매우 흥미로운 것들이 많다.
대부분은 데이터의 분포에 관한 설명 및 시각화한 그림들이다.

이 글에서는 네이버랩스(Naver Corp.)에서 2017년 발표한 논문인 Dual Attention Networks for Multimodal Reasoning and Matching에 대해 알아보고자 한다.
네이버랩스는 인공지능 국제대회 ‘CVPR 2016: VQA Challenge’에서 2위를 차지하였고, 해당 챌린지에서 DAN(Dual Attention Networks)라는 알고리즘을 개발하였다. 이어 이 알고리즘을 조금 더 일반화하여 2017년 발표한 논문이 이 논문이다.

VQA가 무엇인지는 여기를 참조하면 된다.

간단히, DANs은 따로 존재하던 Visual 모델과 Textual 모델을 잘 합쳐 하나의 framework로 만든 모델이라고 할 수 있겠다.

중요한 부분만 적을 예정이므로 전체가 궁금하면 원 논문을 찾아 읽어보면 된다.

DANs(Dual Attention Networks for Multimodal Reasoning and Matching)

논문 링크: DANs(Dual Attention Networks for Multimodal Reasoning and Matching)

초록(Abstract)

vision과 language 사이의 세밀한 상호작용을 포착하기 위해 우리는 visual 및 textual attention을 잘 조정한 Dual Attention Networks(DANs)를 제안하고자 한다. DANs는 이미지와 텍스트 모두로부터 각각의 중요한 부분에 여러 단계에 걸쳐 집중(attend / attention)하고 중요한 정보를 모아 이미지/텍스트의 특정 부분에만 집중하고자 한다. 이 framework에 기반해서, 우리는 multimodal reasoning(추론)과 matching(매칭)을 위한 두 종류의 DANs를 소개한다. 각각의 모델은 VQA(Visual Question Answering), 이미지-텍스트 매칭에 특화된 것이고 state-of-the-art 성능을 얻을 수 있었다.

서론(Introduction)

Vision과 language는 실제 세계를 이해하기 위한 인간 지능의 중요한 두 부분이다. 이는 AI에도 마찬가지이며, 최근 딥러닝의 발전으로 인해 이 두 분야의 경계조차 허물어지고 있다. VQA, Image Captioning, image-text matching, visual grounding 등등.

최근 기술 발전 중 하나는 attention mechanism인데, 이는 이미지 등 전체 데이터 중에서 중요한 부분에만 ‘집중’한다는 것을 구현한 것으로 많은 신경망의 성능을 향상시키는 데 기여했다.
시각 데이터와 텍스트 데이터 각각에서는 attention이 많은 발전을 가져다 주었지만, 이 두 모델을 결합시키는 것은 연구가 별로 진행되지 못했다.

VQA같은 경우 “(이미지 속) 저 우산의 색깔은 무엇인가?” 와 같은 질문에 대한 답은 ‘우산’과 ‘색깔’에 집중함으로써 얻을 수 있고, 이미지와 텍스트를 매칭하는 task에서는 이미지 속 ‘girl’과 ‘pool’에 집중함으로써 해답을 얻을 수 있다.

이 논문에서 우리는 vision과 language의 fine-grained 상호작용을 위한 visual 모델과 textual 모델 두 가지를 잘 결합한 Dual Attention Networks(DANs)를 소개한다. DANs의 두 가지 변형 버전이 있는데, reasoning-DAN(r-DAN, 추론용 모델)과 matching-DAN(m-DAN, 매칭용 모델)이다.

r-DAN은 이전 attention 결과와 다음 attention을 모은 결합 메모리를 사용하여 시각적 그리고 언어적 attention을 협동 수행한다. 이는 VQA같은 multimodal 추론에 적합하다.
m-DAN은 시각 집중 모델과 언어 집중 모델을 분리하여 각각 다른 메모리에 넣지만 이미지와 문장 사이의 의미를 찾기 위해 학습은 동시에 진행하는 모델이다. 이 접근법은 최종적으로 효율적인 cross-modal 매칭을 용이하게 해 준다.
두 알고리즘 모두 시각적 그리고 언어적(문자적, textual) 집중 mechanism을 하나의 framework 안에 긴밀히 연결한 것이다.

이제 우리가 기여한 바는 다음과 같다:

• 시각적 그리고 언어적 attention을 위한 통합된 framework를 제안하였다. 이미지 내 중요한 부분과 단어들은 여러 단계에서 합쳐진 곳에 위치한다.
• 이 framework의 변형 버전 두 가지는 실제로 추론 및 매칭을 위한 모델로 구현되어 VQA와 image-text 매칭에 적용되었다.
• attention 결과의 상세한 시각화는 우리의 모델이 task에 핵심적인 이미지 및 문장 부분에 잘 집중하고 있음을 보여주는 것을 가능하게 한다.
• 이 framework는 VQA와 Flickr30K 데이터셋에서 SOTA(state-of-the-art) 결과를 보여주었다.

관련 연구(Related Works)

• Attention Mechanisms: 간단히 말해 시각적 또는 언어적 입력에서 task를 해결하는 데 중요한 일부분에만 집중하도록 해 문제를 잘 풀 수 있게 하는 방법이다.
• Visual Question Answering(VQA): 이미지와 그 이미지와 연관된 질문이 주어지면 적절한 답을 찾는 task이다. 자세한 내용은 여기를 참조하라.
• Image-Text Matching: 시각자료(이미지)와 글자자료(=문장, 언어적 부분) 사이의 의미적 유사도를 찾는 것이 가장 중요하다. 많은 경우 이미지 특징벡터(feature vector)와 문장 특징벡터를 직접 비교할 수 있도록 변형해 비교하는 방법이 자주 쓰인다. 이 비교방법은 양방향 손실함수 또는 CNN으로 결합하는 방법 등이 쓰인다. 그러나 multimodal attention 모델을 개발하려는 시도는 없었다.

Dual Attention Networks(DANs)

Input Representation

Image representation

• 이미지 특징은 19-layer VGGNet 또는 152-layer ResNet으로 추출했다.
• 448 $\times$ 448 으로 바꿔 CNN에 집어넣는다.
• 다른 ‘지역’(region)으로부터 특징벡터를 얻기 위해 VGGNet 및 ResNet의 마지막 pooling layer를 취했다.
• 이제 이미지는 ${v_1, …, v_N}$으로 표현된다. $N$은 이미지 지역의 개수, $v_n$은 512(VGGNet) 또는 2048(ResNet)이다.

Text representation

one-hot 인코딩으로 주어진 $T$개의 입력 단어들 ${w_1, …, w_T}$을 임베딩시킨 후 양방향 LSTM에 집어넣는다.

임베딩 행렬(embedding matrix)와 LSTM은 end-to-end로 학습된다.

Attention Mechanisms

bias $b$는 생략되어 있다.

Visual Attention

이미지의 특정 부분에 집중하게 하는 context vector를 생성하는 것을 주목적으로 한다.

step $k$에서, 시각문맥벡터(visual context vector) $v^{(k)}$는

[v^{(k)} = \text{V_Att} ({v_n}^N_{n=1}, \ m_v^{(k-1)}]

$m_v^{(k-1)}$는 step $k-1$까지 집중했었던 정보를 인코딩하는 메모리 벡터이다.
여기에다가 soft attention mechanism을 적용하게 된다.

attention weights $\alpha$는 2-layer FNN과 softmax로 구해진다. $W$들은 네트워크 parameter이다.

Textual Attention

마찬가지로 문장의 특정 부분에 집중할 수 있도록 문맥벡터 $u^{(k)}$를 매 step마다 생성하는 것이다.

[u^{(k)} = \text{T_Att} ({u_t}^T_{t=1}, \ m_u^{(k-1)}]

r-DAN for Visual Question Answering

VQA는 multimodal 데이터를 결합 추론하는 것을 필요로 하는 문제이다. 이를 위해 r-DAN은 step $k$에서 시각 및 언어적 정보를 축적하는 메모리 벡터 $m^{(k)}$를 유지한다. 이는 재귀적으로 다음 식을 통해 업데이트된다.

[m^{(k)} = m^{(k-1)} + v^{(k)} \ (\cdot) \ u^{(k)}]

최종 답은 다음과 같이 계산된다. $ \text{p}_{\text{ans}}$는 정답 후보들의 확률을 나타낸다.

[\bold{\text{p}}{\text{ans}} = \text{softmax} \bigr( W{\text{ans}} \ m^{(K)} \bigl)]

m-DAN for Image-Text Matching

수식의 형태는 꽤 비슷하다.

[m_v^{(k)} = m_v^{(k-1)} + v^{(k)}]

[m_u^{(k)} = m_u^{(k-1)} + u^{(k)}]

\(s^{(k)} = v^{(k)} \cdot u^{(k)}, \ S = \sum_{k=0}^K s^{(k)}\) Loss function은 다음과 같이 정의된다.

추론할 시점에는 어떤 이미지나 문장이든 결합공간 안에 임베딩된다.

[z_v = [v^{(0)}; … ; v^{(K)}],]

[z_u = [u^{(0)}; … ; u^{(K)}],]

실험(Experiments)

Experimental Setup

r-DAN과 m-DAN 모두에 대해 모든 hyper-parameters들은 전부 고정되었다.

$K$=2, LSTM을 포함한 모든 네트워크의 hidden layer의 dimension=512,
lr=0.1, momentum=0.9, weight decay=0.0005, dropout rate=0.5, gradient clipping=0.1,
epochs=60, 30epoch 이후 lr=0.01,
minibatch=128 $\times$ 128 quadruplets(긍정 이미지, 긍정 문장, 부정 이미지, 부정 문장),
가능한 답변의 수 C=2000, margin $m$=100이다.

Evaluation on Visual Question Answering

Dataset and Evaluation Metric

VQA 데이터셋을 사용하였고, train(이미지 8만 장), val(이미지 4만 장), test-dev(이미지 2만 장), test-std(이미지 2만 장)이다. 측정방법은

$\hat{a}$는 예측된 답이다.

Results and Analysis

결과를 보면 대부분의 상황에서 SOTA 결과를 얻었으며, 이미지와 문장에서 집중해야 할 부분을 잘 찾았음을 확인할 수 있다.

Evaluation on Image-Text Matching

분석결과는 비슷하므로 생략한다.

결론(Conclusion)

우리는 시각 및 언어적 attention mechanism을 연결하기 위한 Dual Attention Networks (DANs)를 제안하였다. 추론과 매칭을 위한 모델을 하나씩 만들었고, 각각의 모델은 이미지와 문장으로부터 공통 의미를 찾아낸다.
이 모델들은 VQA와 image-text 매칭 task에서 SOTA 결과를 얻어냄으로써 DANs의 효과를 입증하였다. 제안된 이 framework는 image captioning, visual grounding, video question answering 등등 많은 시각 및 언어 task들로 확장될 수 있다.

참고문헌(References)

논문 참조! 부록은 없다. 읽기 편하다