技术大咖教你用TensorFlow为图片添加字幕(2)

　　图3中，{s0, s1, …, sN}表示我们试着去预测的字幕词汇，{wes0, wes1, …, wesN-1}是每个词的词向量。LSTM的输出{p1, p2, …, pN}是这个模型产生的句子里下一个词的概率分布。模型的训练目标是最小化对所有的词概率取对数后求和的负值。

　　def build_model(self):

　　# declaring the placeholders for our extracted image feature vectors, our caption, and our mask

　　# (describes how long our caption is with an array of 0/1 values of length `maxlen`

　　img = tf.placeholder(tf.float32, [self.batch_size, self.dim_in])

　　caption_placeholder = tf.placeholder(tf.int32, [self.batch_size, self.n_lstm_steps])

　　mask = tf.placeholder(tf.float32, [self.batch_size, self.n_lstm_steps])

　　# getting an initial LSTM embedding from our image_imbedding

　　image_embedding = tf.matmul(img, self.img_embedding) + self.img_embedding_bias

　　# setting initial state of our LSTM

　　state = self.lstm.zero_state(self.batch_size, dtype=tf.float32)

　　total_ loss = 0.0

　　with tf.variable_scope(“RNN”):

　　for i in range(self.n_lstm_steps):

　　if i > 0:

　　#if this isn’t the first iteration of our LSTM we need to get the word_embedding corresponding

　　# to the (i-1)th word in our caption

　　with tf.device(“/cpu:0”):

　　current_embedding = tf.nn.embedding_lookup(self.word_embedding, caption_placeholder[:,i-1]) + self.embedding_bias

　　else:

　　#if this is the first iteration of our LSTM we utilize the embedded image as our input

　　current_embedding = image_embedding

　　if i > 0:

　　# allows us to reuse the LSTM tensor variable on each iteration

　　tf.get_variable_scope().reuse_variables()

　　out, state = self.lstm(current_embedding, state)

　　print (out,self.word_encoding,self.word_encoding_bias)

　　if i > 0:

　　#get the one-hot representation of the next word in our caption

　　labels = tf.expand_dims(caption_placeholder[:, i], 1)

　　ix_range=tf.range(0, self.batch_size, 1)

　　ixs = tf.expand_dims(ix_range, 1)

　　concat = tf.concat([ixs, labels],1)

　　onehot = tf.sparse_to_dense(

　　concat, tf.stack([self.batch_size, self.n_words]), 1.0, 0.0)

　　#perform a softmax classification to generate the next word in the caption

　　logit = tf.matmul(out, self.word_encoding) + self.word_encoding_bias

　　xentropy = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=logit, labels=onehot)

　　xentropy = xentropy * mask[:,i]

　　loss = tf.reduce_sum(xentropy)

　　total_loss += loss

　　total_loss = total_loss / tf.reduce_sum(mask[:,1:])

　　return total_loss, img, caption_placeholder, mask

　　使用推断来生成字幕

　　完成训练后，我们就获得了一个在给定图片和所有的前置词汇的前提下，可以给出字幕里下一个词概率的模型。那么我们怎么用这个模型来生成字幕？

　　最简单的方法就是把一张图片作为输入，循环输出下一个概率最大的词，由此生成一个字幕。

　　def build_generator(self, maxlen, batchsize=1):

　　#same setup as `build_model` function

　　img = tf.placeholder(tf.float32, [self.batch_size, self.dim_in])

　　image_embedding = tf.matmul(img, self.img_embedding) + self.img_embedding_bias

　　state = self.lstm.zero_state(batchsize,dtype=tf.float32)

　　#declare list to hold the words of our generated captions

　　all_words = []

　　print (state,image_embedding,img)

　　with tf.variable_scope(“RNN”):

　　# in the first iteration we have no previous word, so we directly pass in the image embedding

　　# and set the `previous_word` to the embedding of the start token ([0]) for the future iterations

　　output, state = self.lstm(image_embedding, state)

　　previous_word = tf.nn.embedding_lookup(self.word_embedding, [0]) + self.embedding_bias

　　for i in range(maxlen):

　　tf.get_variable_scope().reuse_variables()

　　out, state = self.lstm(previous_word, state)

　　# get a one-hot word encoding from the output of the LSTM

　　logit = tf.matmul(out, self.word_encoding) + self.word_encoding_bias

　　best_word = tf.argmax(logit, 1)

　　with tf.device(“/cpu:0”):

　　# get the embedding of the best_word to use as input to the next iteration of our LSTM

　　previous_word = tf.nn.embedding_lookup(self.word_embedding, best_word)

　　previous_word += self.embedding_bias

　　all_words.append(best_word)

　　return img, all_words

　　很多情况下，这个方法都能用。但是“贪婪”地使用下一个概率最大的词可能并不能产生总体上最合适的字幕。

　　规避这个问题的一个可行的方法就是“束搜索（Beam Search）”。这个算法通过递归的方法在最多长度为t的句子里寻找k个最好的候选者来生成长度为t+1的句子，且每次循环都仅仅保留最好的那k个结果。这样就可以去探索一个更大的最佳的字幕空间，同时还能让推断在可控的计算规模内。在下图的例子里，算法维护了在每个垂直时间步骤里的一系列k=2的候选句子（用粗体字表示）。

　　

　　图4 来源：Daniel Ricciardelli

　　局限和讨论

　　神经图片字幕生成器给出了一个有用的框架，能学习从图片到人能理解的图片字幕间的映射。通过训练大量的图片-字幕对，这个模型学会提取从视觉特征到相关语义信息的关系。