Good for Misconceived Reasons: An Empirical Revisiting on the Need for Visual Context in Multimodal Machine Translation

第13回最先端NLP勉強会（SNLP2021）発表資料

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1. 論文紹介: Good for Misconceived Reasons: An Empirical Revisiting on the Need for Visual Context in Multimodal Machine Translation Zhiyong Wu, Lingpeng Kong, Wei Bi, Xiang Li, Ben Kao ACL 2021, https://aclanthology.org/2021.acl-long.480/ 発表者：平澤 寅庄（ひらさわ とうしょう） 東京都立大学小町研究室 D1　 2021/9/16 第13回最先端NLP勉強会　
2. 注釈のない図表は論文から引用されたものです 2
3. この論文について 読んだ理由 • Multimodality のうれしみを評価する手法を知っておくのは重要 • 視覚情報の効果を同定しているが、その過程に興味があった 3
4. どんな論文か？ タスク：マルチモーダル機械翻訳（言語＋画像、言語＋動画、etc） 分かったこと： • マルチモーダルな入力を使うことで正則化の効果を得られる • 既存のデータセットで訓練したモデルは視覚情報を無視する • 入力文がマスクされていると、モデルは視覚情報を活用する 4
5. 関連研究：マルチモーダル機械翻訳 言語＋画像 言語＋動画 5 図は Barrault et al., 2018. Findings of the Third Shared Task on Multimodal Machine Translation. WMT より引用 図は Wang et al., 2019. VATEX: A Large-Scale, High-Quality Multilingual Dataset for Video-and-Language Research. ICCV より引用
6. Adversarial Evaluation [Elliott, 2018] 問題点 • 直感的ではない • 正規化、データバイアスなどの影響が明らかでない モデルの image awareness を評価 • 正しい (congruent) 画像を使用した性能と 正しくない (incongruent) 画像を使用した 性能の差を評価 • モデルの学習は congruent な画像を使用 関連研究：モデルは“マルチモーダル”なのか？ 6 図は Elliott, 2018. Adversarial Evaluation of Multimodal Machine Translation. EMNLP より引用
7. 視覚情報の関わりを明らかにするために 実験の方針 1. 入力文と視覚情報の特徴量を Gate する機構を持つ、２つのマルチモーダル 機械翻訳モデルを訓練する ◦ Gated fusion multimodal machine translation (MMT) model ◦ Retrieval-Augmented MMT 2. 正則化を働きをする手法を同じモデルに適用し、同様に訓練する 3. Gate の動きを比較する 7
8. モデル１：Gated Fusion MMT Language encoder の出力に、線形変換した視覚特徴量を重み付きで加える 8 画像
9. モデル２：Retrieval-Augmented MMT (RMMT) 入力文をクエリに検索した視覚情報を入力に使うモデル 1. 入力に関連する画像を検索し top-K (K=5) を取得する ( Z ) 2. f_θ(∗)を用いて、抽出した Z をベクトル表現に変換する ◦ max-pooling over elements を使用 3. 変換した特徴量を用いて Gated fusion NMT と同様に計算する 9 画像 set max-pooling
10. 実験設定 データセット：Multi30k, MSCOCO test set（曖昧語を含むテストセット） 画像検索モデル：Flickr30k で学習 ベースライン： • Transformer (base, small, tiny) • Conventional MMT models (Doubly-ATT, Imagination) • Retrieval-based MMT model (UVR-NMT) • Graph-based MMT model (GMNMT) • Dynamic context-guided capsule network (DCCN) 10
11. 各モデルの性能（BLEU） 11
12. 各モデルの性能（BLEU） 12 in-domain なテストデータ
13. 各モデルの性能（BLEU） 13 少し domain shift したテストデータ
14. 各モデルの性能（BLEU） 14 曖昧語を含むテストデータ
15. 各モデルの性能（BLEU） 15
16. MMTモデルは画像を見ているのか？ Gate の重み (Λ) のマイクロ平均を計算 入力文・トークン毎の重みを平均 • 大きい → 視覚情報を使う • 小さい → 視覚情報を使わない Gated Fusion / RMMT の両モデル で非常に小さな値になる • 1e-10 より大きい重みはなし 結論： モデルは推論時に視覚情報を使って いない 16
17. 学習するときに視覚情報は使われているか？ 学習の初期では視覚情報を使っている → ResNet が有益な情報を抽出しているため 次第に視覚情報の重みが徐々に減っていく → textual encoder の学習が進み、入力文を品 質良く表現できるようになったため マルチモーダルモデルが textual モデルに優る のはなぜか？ → 視覚情報を入力に加えることが正則化の働き をしている、という仮説 17
18. 正則化であることを検証するために 正則化で使われる２つの手法を使った場合の結果と比較する • Random noise injection → Gaussian でランダムな視覚特徴量を生成 • Weight decay 18
19. 実験結果（Random noise injection） Gate の重み (Λ)：ResNet=97.7, Random Noise=95.2 → Random noise は視覚特徴量の結果が類似している → 視覚情報は random noise と同様の働き（＝正則化）をしている 19 （カッコ内は画像特徴量を使った場合からの差分）
20. 実験結果（Weight decay） Weight decay を調整することで、Transformer が最も良い性能となる → 視覚情報は正則化の働きをしている 20
21. どのような場合で視覚情報は有用か マスクされた入力文に対する性能を評価 Visual grounded tokens をマスクしたデータを 使い、学習と評価を行った • 出現回数 30+ の単語（stop word 除く） • 全トークンの 45% に相当 Random noise injection や weight decay に比 べ、視覚特徴量を使うモデルは良い性能を達成 している → 入力文が不十分なときに、視覚特徴量は 役に立つ → 評価するためのベンチマークが必要 21
22. 議論 １．新しいベンチマークが必要である • Multi30k は翻訳として簡単なデータセットである ２．提案手法は新しいベンチマークの verification に使用できる ３．視覚特徴量抽出器の選択は重要である • 抽出器の精度は町モーダル機械翻訳モデルの性能に大きく影響する 22
23. まとめ • マルチモーダルな入力を使うことで正則化の効果を得られる • 既存のデータセットで訓練したモデルは視覚情報を無視する • 入力文がマスクされていると、モデルは視覚情報を活用する 今後は • 視覚情報が必要とされるようなベンチマークが必要 23
24. 読んだ感想 • 現在のベンチマーク（Multi30k）では、十分にモデルのマルチモダール性を 評価できない、というのは納得感がある • 視覚情報を使うことの効果が、正則化であることがまだつながらない ◦ 正則化であるなら、Test2016 での性能向上よりも、domain shift した Test2017 や曖昧語を 含む MSCOCO での性能向上が顕著に現れても良さそうだが、そうではない • モデルの特性とデータセットの特性をどうやって切り分けるのだろうか？ ◦ 現在のベンチマークで multimodality を活用できないのは、データセットが原因なのか、 それとも、（単純化された）モデルが原因なのか？ ◦ 先行研究で Doubly-Att は高い image awareness を持つことは示されている 24