MUREL: 多模态关系建模

MUREL

MuRel网络是一个端到端的机器学习模型，用于回答关于图像的问题。它依赖于从图像中提取的对象边界盒来构建一个复杂连接图，其中每个节点对应于一个对象或区域。该MuRel网络包含一个MuRel cell，在该cell上迭代以融合问题表示和局部区域特征，逐步细化可视化和问题交互。最后，在对局部表示进行全局聚合之后，它使用双线性模型回答了这个问题。有趣的是，MuRel网络并没有包含一个明确的注意机制，而这通常是最先进的模型的核心。它对场景的丰富矢量表示甚至可以用于可视化每一步的推理过程。

1. 论文的主要贡献

1. 提出了MuRel概念（多模态关系），引入了MuRel Cell （这是一个自动推理原语，能够表示问题和图像区域之间丰富的交互信息，它基于一个向量表示，能对区域之间的关系进行建模）包含（通过双线性模型融合来表示问题向量q和区域向量si之间的丰富的细粒度交互(图1左框)，对成对结合区域关系进行建模的结构（提供每个区域的上下文感知嵌入xi）（图1右框）),si^ 为si的残差函数是一个cell的输出。

MuRel cell是一种新型的推理模块，它对问题和图像区域之间的交互进行建模。它的成对关系组件通过在建模中考虑节点的上下文，丰富了每个节点的多模态表示

2. MuRel网络，迭代多个MuRel Cell，逐渐细化图像和问题的交互。（图2）

在经典的注意力模型中，图像区域与问题特征s和q的融合只学习对一个区域是否相关进行编码，在MuRel单元中，局部多模态信息以更丰富的形式mi进行表示，它可以对模态间更复杂的联系进行编码。

                                             图1

                                                   图2

2. 论文中涉及的公式

1. MuRel中融合公式:融合公式采用的双线性融合，参数分解采用Tucker张量分解。

$m_i$中的每一维m可如下表示：
$$m=\sum _{s,q}{w}^{s,q,m}{s}_i^s{q}^q$$

2.成对交互建模：在回答模型类型的问题，可能有必要对多个交互在一起的对象进行推理，也就是我们希望每一个表示都了解其周围的空间和语义环境，因此我们选择了成对关系建模，MuRel中，邻域由每个区域组成，并合并空间和语义表示来构建关系向量。我们计算每个区域的上下文向量，包含所有进入i的成对链接$r_{ij}$(矢量， 包含有关两个区域的内容以及相对位置的信息)，我们将其定义为如下公式

公式3中通过$B(b_i,b_j;{\Theta }_b)$的运算，（$b_i=[x,y,w,h]$是每个区域的空间坐标，（x,y）表四框左上，w，h分别表示框宽高，x,w由图像宽标准化，y，h由图像高标准化。）
Cell可以自由学习空间概念，例如顶部，左，右等。在并行情况下，$B(.,.;{\Theta }_s)$编码多模态向量（$s_i,s_j$）之间的相关性，对应于以问题表示为条件的语义视觉概念，通过总结空间和语义的融合，网络可学习高级关系概念，例如：wear,hold等

文本表示 $e_i$包含它的邻居提供的$r_{ij}$信息，再以加法的形式更新，$m_i$

最后，MuRel cell的输出将作为其输入的残差函数进行计算，每个视觉特征$s_i$更新为：

综上所述：图1的总体操作公式可如下表示。

3. MuRel 网络公式

3. 实验结果

与注意力机制比较

消融研究

探究最佳迭代次数、

不同模型在不同数据集的比较

模型实例