Learning Modality-Specific Representation with Self-Supervised Mulit-Task Learning for MSA

自监督多任务学习用于多模态情感分析
Learning Modality-Specific Representation with Self-Supervised Mulit-Task Learning for Multimodal Sentiment Analysis

Abstract

  • 多模态数据集只是给三个模态定一个统一的标签,要对每一个单独模态标注非常费时费力,但是每一个单独模态的有不同的信息。
  • 本文基于自监督学习(self-supervised learning)提出了标签生成模块用于获得每一个单独模态的标签,并且联合多模态和单模态学习分别学习一致性和不同性。不仅如此,还设计了权重调节策略(weight-adjustment strategy)引导子任务聚焦在模态之间更加不同的采样上。
  • 在MOSI和MOSEI上做了实验验证性能,并且在具有人工标注的SIMS数据上验证了相比于人工标注的性能

introduction

  • 根据表示学习中对于任务指引的不同,将方法分为两种:前向指引(forward guidance)和后向指引(backward guidance)。前者聚焦于设计一个捕获模态之间交互的交互模块,后者聚焦于对任务实加额外的损失函数作为先验约束。本文使用后者的方式
  • 关联论文 – SIMS以及MISA (独立单模态的标注以及modality-specific 表示

model

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  • 目标:获得自动生成的信息丰富的单模态表示,并且联合多模态和三个单独模态进行多任务学习。这篇工作将情感分析作为一个回归任务 – 得出一个实数
  • 左边的编码部分,文本利用bert进行编码并且取最后一层的第一个token-vector作为对整个句子的表示。其余两个利用预训练的工具抽取之后,经过单向的lstm将最后一个hidden vector输出,三者拼接。 第一个全连接用于转换维度,第二个用于预测
  • 右边单模态部分,由于每一个模态的维度不同,首先使用全连接转换维度,然后利用单模态标签生成模块生成每一个单一模块的标签
  • 在这里插入图片描述

单模态生成模块(ULGM)

  • 基于多模态的表示以及模态的表示来生成每一个单一模态的标签值
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    D代表模态和类中心的距离
  • 计算不同模态的positive center 以及negative center,也就是类中心(class centers)
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  • 计算每一个单模态表示与类中心(两个)的距离 (distance)
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  • 根据上面得到的距离计算相对距离(relative distance value)
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  • 根据公式的推导,就后可以得到每一个单模态的监督值(也就是伪标签)其实可以用多模态的标签值加上偏置得到
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  • 最后动态的更新每一个监督值,由于一开始产生的单模态标签值并不稳定,所以进行动态调整,并且在每一次计算中都考虑了前面一个epoch的标签值
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  • 完整的算法如下,其中第3 6 11-13 以及15为重点
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优化目标

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“we use the difference between u-labels and m-labels as the weight of loss function. It indicates that the network should pay more attention on the samples with larger difference .W

Experiment

  • 在对齐与非对齐下都进行了验证,对比的baseline也比较新。
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<think>嗯,用户想了解多模态情感分析中的特定于模态的残差网络的研究和实现。首先,我需要确认什么是多模态情感分析。根据引用[1],它涉及处理来自不同模态(如文本、音频、视觉)的数据,用于分析情感,尤其是在模态缺失的情况下。然后,特定于模态的残差网络可能指的是针对每个模态设计的网络结构,可能结合残差连接来提升性能。 接下来,我需要回顾现有的研究。残差网络在计算机视觉中应用广泛,如ResNet和DenseNet(引用[2]),它们在处理深层网络时有效缓解梯度消失问题。多模态领域,可能需要将这种结构应用于不同模态的特征提取。例如,每个模态可能有独立的残差网络分支,再融合特征。 然后,用户提到的实现方面,可能需要参考具体的代码库。引用[1]中的EMMR项目可能包含相关实现,可以查看其GitHub代码。此外,引用[3]提到多模态预训练和跨模态检索,可能涉及模态特定网络的设计,比如如何处理不同模态的特征。 需要解决的问题包括:1)如何设计模态特定的残差网络结构;2)如何融合不同模态的特征;3)如何处理模态缺失或不确定性。例如,在EMMR中,可能使用特定模态的残差块来处理各自的数据,再通过某种机制(如注意力)进行融合,同时应对缺失模态的情况。 此外,用户可能需要了解现有的模型架构,比如是否每个模态都有独立的ResNet分支,以及如何在这些分支中加入残差连接。引用[2]提到的多尺度模型设计、FPN等可能对多模态特征融合有借鉴意义。比如,使用不同层级的特征进行融合,或者使用跨模态的注意力机制。 在实现上,可能需要使用深度学习框架如PyTorch或TensorFlow,构建多个残差网络分支,每个处理一个模态,然后将特征合并。同时,需要处理模态缺失的情况,比如通过零填充或生成替代特征,如引用[1]中的方法。 可能的相关问题包括优化方法、处理模态缺失的技术、如何评估模型性能等。需要确保回答结构清晰,步骤明确,并引用相关的文献和代码资源。</think>### 多模态情感分析中特定于模态的残差网络研究及实现 #### 1. 研究背景 多模态情感分析通过融合文本、语音、视觉等模态数据提升情感识别准确性[^1]。特定于模态的残差网络(Modality-Specific Residual Networks)通过以下方式优化模型性能: - **模态独立性**:为每个模态设计独立的残差分支,避免特征混淆。 - **梯度优化**:利用残差连接(如ResNet[^2])缓解梯度消失问题,增强深层网络训练稳定性。 - **动态特征融合**:在高层通过注意力机制或加权融合整合多模态特征[^3]。 #### 2. 核心实现方法 ##### 2.1 残差网络设计 - **单模态分支**:每个模态(如文本、音频、视觉)使用独立的残差块。例如: ```python class ModalityResNet(nn.Module): def __init__(self, input_dim): super().__init__() self.res_layer1 = nn.Sequential( nn.Linear(input_dim, 256), nn.ReLU(), nn.Linear(256, 256) # 残差跳跃连接 ) def forward(self, x): residual = x x = self.res_layer1(x) x += residual # 残差相加 return x ``` - **跨模态特征对齐**:通过对比学习或对抗训练(如DANN)对齐不同模态的特征分布。 ##### 2.2 多模态融合策略 - **加权融合**:为每个模态分配动态权重,例如基于注意力机制: $$ \alpha_i = \text{softmax}(W \cdot h_i + b) $$ 其中$h_i$为第$i$个模态的特征,$\alpha_i$为其权重。 - **层级融合**:在残差块的不同层级进行特征交互(参考FPN[^2]的多尺度设计)。 #### 3. 研究进展 - **EMMR框架**:提出模态不确定性的鲁棒性处理方法,通过残差网络补偿缺失模态的影响。 - **跨模态预训练**:结合BERT等模型,在残差结构中嵌入跨模态对齐模块(如CLIP风格对比学习)。 #### 4. 实现示例(基于PyTorch) ```python class MultimodalResNet(nn.Module): def __init__(self, text_dim, audio_dim, visual_dim): super().__init__() # 模态特定残差分支 self.text_net = ModalityResNet(text_dim) self.audio_net = ModalityResNet(audio_dim) self.visual_net = ModalityResNet(visual_dim) # 融合层 self.attention = nn.MultiheadAttention(embed_dim=256, num_heads=4) self.classifier = nn.Linear(256, 3) # 情感分类 def forward(self, text, audio, visual): text_feat = self.text_net(text) audio_feat = self.audio_net(audio) visual_feat = self.visual_net(visual) # 跨模态注意力融合 fused, _ = self.attention(text_feat, audio_feat, visual_feat) return self.classifier(fused) ``` #### 5. 关键挑战与优化 - **模态缺失处理**:在残差网络中引入零初始化掩码或生成式补全(如GAN)。 - **计算效率**:使用分组卷积或模型蒸馏降低多分支计算开销。
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