跨模态检索技术研究综述

跨模态检索可以通过一种模态检索出其他模态的信息,已经成为大数据时代的研究热点。研究者基于实值表示和二进制表示两种方法来减小不同模态信息的语义差距并进行有效的相似度对比,但仍会有检索效率低或信息丢失的问题。目前,如何进一步提高检索效率和信息利用率是跨模态检索研究面临的关键挑战。介绍了跨模态检索研究中基于实值表示和二进制表示两种方法的发展现状;分析对比了包含两种表示技术下以建模技术和相似性对比为主线的五种跨模态检索方法：子空间学习、主题统计模型学习、深度学习、传统哈希和深度哈希;对最新的多模态数据集进行总结,为相关的研究和工程人员提供有价值的参考资料;分析了跨模态检索面临的挑战并指出了该领域未来研究方向。     

跨模态检索研究综述

近年来,各种类型的媒体数据,如音频、文本、图像和视频,在互联网上呈现爆发式增长,不同类型的数据通常用于描述同一事件或主题。跨模态检索提供了一些有效的方法,可以为任何模态的给定查询搜索不同模态的语义相关结果,使用户能够获得有关事件/主题的更多信息,从而达到以一种模态数据检索另外一种模态数据的效果。随着数据检索需求以及各种新技术的发展,单一模态检索难以满足用户需求,研究者提出许多跨模态检索的技术来解决这个问题。梳理近期跨模态检索领域研究者的研究成果,简要分析传统的跨模态检索方法,着重介绍近五年研究者提出跨模态检索方法,并对其性能表现进行对比;总结现阶段跨模态检索研究过程中面临的问题,并对后续发展做出展望。     

面向多模态视频时刻检索的查询感知跨模态双重对比学习网络

近期,跨模态视频语料库时刻检索（VCMR）这一新任务被提出,它的目标是从未分段的视频语料库中检索出与查询语句相对应的一小段视频片段.现有的跨模态视频文本检索工作的关键点在于不同模态特征的对齐和融合,然而,简单地执行跨模态对齐和融合不能确保来自相同模态且语义相似的数据在联合特征空间下保持接近,也未考虑查询语句的语义.为了解决上述问题,本文提出了一种面向多模态视频片段检索的查询感知跨模态双重对比学习网络（QACLN）,该网络通过结合模态间和模态内的双重对比学习来获取不同模态数据的统一语义表示.具体地,本文提出了一种查询感知的跨模态语义融合策略,根据感知到的查询语义自适应地融合视频的视觉模态特征和字幕模态特征等多模态特征,获得视频的查询感知多模态联合表示.此外,提出了一种面向视频和查询语句的模态间及模态内双重对比学习机制,以增强不同模态的语义对齐和融合,从而提高不同模态数据表示的可分辨性和语义一致性.最后,采用一维卷积边界回归和跨模态语义相似度计算来完成时刻定位和视频检索.大量实验验证表明,所提出的QACLN优于基准方法.     

基于语义融合和多重相似性学习的跨模态检索

针对现有跨模态检索方法不能充分挖掘模态之间的相似性信息的问题,提出一种基于语义融合和多重相似性学习（CFMSL）方法。首先,在特征提取过程中融合不同模态的语义信息,加强不同模态特征间的交互,使得模型能够充分挖掘模态间的关联信息。然后,利用生成器将单模态特征和融合模态特征映射到公共子空间中,通过最大化锚点与正例样本之间的相似性和最小化锚点与负例样本间的相似性得到具有判别性的特征进行模态对齐。最后,基于决策融合方式对相似性列表进行重排序,使得最终排序结果同时考虑单模态特征和融合模态特征,提高检索性能。通过在Pascal Sentences、Wikipedia、NUS-WIDE-10K这3个广泛使用的图文数据集上进行实验,实验结果表明CFMSL模型能够有效提高跨模态检索任务的性能。     

联合线性判别和图正则的任务导向型跨模态检索

针对现有的基于公共子空间的跨模态检索方法对不同检索任务的差异性、检索模态的语义一致性考虑不足的问题,提出一种联合线性判别和图正则的任务导向型跨模态检索方法.该方法在一个联合学习框架中为不同的检索任务构建不同的映射机制,将不同模态的数据映射到公共子空间中以进行相似性度量;学习过程中结合相关性分析和单模态语义回归,保留成对...     

基于对抗投影学习的跨模态哈希检索

跨模态哈希检索以其较高的检索效率和较低的存储成本,在跨模态检索领域受到了广泛的关注.现有的跨模态哈希大多直接从多模态数据中学习哈希码,不能充分利用数据的语义信息,因此无法保证数据低维特征在模态间的分布一致性,解决这个问题的关键之一是要准确地度量多模态数据之间的相似度.为此,提出一种基于对抗投影学习的哈希(adversarial projection learning based Hashing for cross-modal retrieval,APLH)方法用于跨模态检索.利用对抗训练学习来自不同模态的低维特征,并保证低维特征在模态间的分布一致性.在此基础上,利用跨模态投影匹配约束(cross-modal projection matching,CMPM),最小化特征投影匹配分布和标签投影匹配分布之间的KL(Kullback-Leibler)散度,利用标签信息使数据低维特征之间的相似度结构与语义空间中的相似度结构趋于一致.此外,在哈希码学习阶段,引入加权余弦三元组损失进一步利用数据的语义信息;且为减小哈希码的量化损失,使用离散优化的方法优化哈希函数.在3个跨模态数据集MIRFlickr25K,NUS-WIDE,Wikipedia上,以不同码位计算mAP,且所提方法的mAP值均优于其他算法,验证了其在跨模态哈希检索上的优越性、鲁棒性以及CMPM的有效性.     

基于标记增强的离散跨模态哈希方法

跨模态哈希通过将不同模态的数据映射为同一空间中更紧凑的哈希码,可以大大提升跨模态检索的效率.然而现有跨模态哈希方法通常使用二元相似性矩阵,不能准确描述样本间的语义相似关系,并且存在平方复杂度问题.为了更好地挖掘数据间的语义相似关系,提出了一个基于标记增强的离散跨模态哈希方法.首先借助迁移学习的先验知识生成样本的标记分布,然后通过标记分布构建描述度更强的语义相似性矩阵,再通过一个高效的离散优化算法生成哈希码,避免了量化误差问题.最后,在两个基准数据集上的实验结果验证了所提方法在跨模态检索任务上的有效性.     

深度双模态源域对称迁移学习的跨模态检索

基于深度网络的跨模态检索经常面临交叉训练数据不足的挑战,这限制了训练效果并容易导致过拟合。迁移学习在源域中训练数据的知识迁移学习到目标域中,能有效解决训练数据不足的问题。然而,现有的大部分迁移学习方法致力于将知识从单模态（如图像）源域迁移到多模态（如图像和文本）目标域,而如果源域中已存在多种模态信息,这样的非对称迁移会忽略源域中包含的潜在的模态间语义信息;同时这些方法不能很好地提取源域与目标域中相同模态的相似性,进而减小域差异。因此,提出一种深度双模态源域对称迁移学习的跨模态检索（DBSTL）方法。该方法旨在实现从双模态源域到跨模态目标域的知识迁移,并获得跨模态数据的公共表示。DBSTL由模态对称迁移子网和语义一致性学习子网构成。模态对称迁移子网采用混合对称结构,在知识迁移过程中,使模态间信息具有更高的一致性,并能减小源域与目标域间的差异;而语义一致性学习子网中,所有模态共享相同的公共表示层,并在目标域的监督信息指导下保证跨模态语义的一致性。实验结果表明,在Pascal、NUS-WIDE-10k和Wikipedia数据集上,所提方法的平均精度均值（mAP）较对比方法得到的最好结果分别提...     

基于图卷积网络的无监督跨模态哈希检索算法

针对无监督跨模态检索任务中不能充分利用单个模态内的语义关联信息的问题,提出了一种基于图卷积网络的无监督跨模态哈希检索方法。通过图像和文本编码器分别获得两个模态的特征,输入到图卷积网络中挖掘单个模态的内部语义信息,将结果通过哈希编码层进行二值化操作后,与模态间的深度语义关联相似度矩阵进行对比计算损失,不断重构优化生成的二进制编码,直到生成样本对应的健壮哈希表达。实验结果表明,与经典的浅层方法和深度学习方法对比,该方法在多个数据集上的跨模态检索准确率均有明显提升。证明通过图卷积网络能够进一步挖掘模态内的语义信息,所提模型具有更高的准确性和鲁棒性。     

联合哈希特征和分类器学习的跨模态检索算法

为了解决跨模态检索算法检索准确率较低、训练时间较长等问题,文中提出联合哈希特征和分类器学习的跨模态检索算法(HFCL).采用统一的哈希码描述语义相同的不同模态数据.在训练阶段,利用标签信息学习具有鉴别性的哈希码.第二阶段基于生成的鉴别性哈希码,采用核逻辑回归学习各模态的哈希函数.在测试阶段,给定任意一个模态查询样本,利用学习的哈希函数生成哈希特征,从数据库中检索与之语义相关的另一模态数据.在3个公开数据集上的实验验证HFCL的有效性.     

基于模态语义增强的跨模态食谱检索方法

在跨模态食谱检索任务中,如何有效地对模态进行特征表示是一个热点问题。目前一般使用两个独立的神经网络分别获取图像和食谱的特征,通过跨模态对齐实现跨模态检索。但这些方法主要关注模态内的特征信息,忽略了模态间的特征交互,导致部分有效模态信息丢失。针对该问题,提出一种通过多模态编码器来增强模态语义的跨模态食谱检索方法。首先使用预训练模型提取图像和食谱的初始语义特征,并借助对抗损失缩小模态间差异;然后利用成对跨模态注意力使来自一个模态的特征反复强化另一个模态的特征,进一步提取有效信息;接着采用自注意力机制对模态的内部特征进行建模,以捕捉丰富的模态特定语义信息和潜在关联知识;最后,引入三元组损失最小化同类样本间的距离,实现跨模态检索学习。在Recipe 1M数据集上的实验结果表明,该方法在中位数排名(MedR)和前K召回率(R@K)等方面均优于目前的主流方法,为跨模态检索任务提供了有力的解决方案。     

跨模态表征与生成技术

多媒体数据持续呈现爆发式增长并显现出异源异构的特性,因此跨模态学习领域研究逐渐引起学术和工业界的关注。跨模态表征与生成是跨模态学习的两大核心基础问题。跨模态表征旨在利用多种模态之间的互补性剔除模态之间的冗余,从而获得更为有效的特征表示;跨模态生成则是基于模态之间的语义一致性,实现不同模态数据形式上的相互转换,有助于提高不同模态间的迁移能力。本文系统地分析了国际与国内近年来跨模态表征与生成领域的重要研究进展,包括传统跨模态表征学习、多模态大模型表示学习、图像到文本的跨模态转换和跨模态图像生成。其中,传统跨模态表征学习探讨了跨模态统一表征和跨模态协同表征,多模态大模型表示学习探讨了基于Transformer的模型研究,图像到文本的跨模态转换探讨了图像视频的语义描述、视频字幕语义分析和视觉问答等领域的发展,跨模态图像生成从不同模态信息的跨模态联合表示方法、图像的跨模态生成技术和基于预训练的特定域图像生成阐述了跨模态生成方面的进展。本文详细综述了上述各个子领域研究的挑战性,对比了国内外研究方面的进展情况,梳理了发展脉络和学术研究的前沿动态。最后,根据上述分析展望了跨模态表征与生成的发展趋势和突破口。     

成对相似度迁移哈希用于无监督跨模态检索

哈希编码能够节省存储空间、提高检索效率,已引起广泛关注.提出一种成对相似度迁移哈希方法(pairwise similarity transferring hash,PSTH)用于无监督跨模态检索.对于每个模态,PSTH将可靠的模态内成对相似度迁移到汉明空间,使哈希编码继承原始空间的成对相似度,从而学习各模态数据对应的哈希编码;此外,PSTH重建相似度值而不是相似度关系,使得训练过程可以分批进行;与此同时,为缩小不同模态间的语义鸿沟,PSTH最大化模态间成对相似度.在三个公开数据集上进行了大量对比实验,PSTH取得了SOTA的效果.     

多负例对比机制下的跨模态表示学习

为了有效地获取到更有区别性的跨模态表示,提出了一种基于多负例对比机制的跨模态表示学习方法——监督对比的跨模态表示学习（supervised contrastive cross-modal representation learning,SCCMRL）,并将其应用于视觉模态和听觉模态上。SCCMRL分别通过视觉编码器和音频编码器提取得到视听觉特征,利用监督对比损失让样本数据与其多个负例进行对比,使得相同类别的视听觉特征距离更近,不同类别的视听觉特征距离更远。此外,该方法还引入了中心损失和标签损失来进一步保证跨模态表示间的模态一致性和语义区分性。为了验证SCCMRL方法的有效性,基于SCCMRL方法构建了相应的跨模态检索系统,并结合Sub_URMP和XmediaNet数据集进行了跨模态检索实验。实验结果表明,SCCMRL方法相较于当前常用的跨模态检索方法取得了更高的mAP值,同时验证了多负例对比机制下的跨模态表示学习具有可行性。     

语义保持哈希在跨模态检索中的应用

哈希表示能够节省存储空间,加快检索速度,所以基于哈希表示的跨模态检索已经引起广泛关注。多数有监督的跨模态哈希方法以一种回归或图约束的方式使哈希编码具有语义鉴别性,然而这种方式忽略了哈希函数的语义鉴别性,从而导致新样本不能获得语义保持的哈希编码,限制了检索准确率的提升。为了同时学习具有语义保持的哈希编码和哈希函数,提出一种语义保持哈希方法用于跨模态检索。通过引入两个不同模态的哈希函数,将不同模态空间的样本映射到共同的汉明空间。为使哈希编码和哈希函数均具有较好的语义鉴别性,引入了语义结构图,并结合局部结构保持的思想,将哈希编码和哈希函数的学习融合到同一个框架,使两者同时优化。三个多模态数据集上的大量实验证明了该方法在跨模态检索任务的有效性和优越性。     

基于字典学习的跨媒体检索技术

在研究跨媒体信息检索时,对于不同模态数据的异构性提出了挑战,针对如何更好的克服异构问题以提高多模态数据之间的检索精度,提出了一种基于字典学习的新跨媒体检索技术。首先,通过字典学习方法学习两个不同模态数据之间的稀疏系数,然后,通过特征映射方案由两个不同的投影矩阵分别把它们投入共同的特征子空间,最后,通过标签对齐同一类来增强不同模态之间的相关性。实验结果表明,与传统的同构子空间学习方法相比,基于字典的算法分类性能优越,该实验方法在两个数据集上优于几种最先进的方法。     

深度学习跨模态图文检索研究综述

随着深度神经网络的兴起,多模态学习受到广泛关注.跨模态检索是多模态学习的重要分支,其目的在于挖掘不同模态样本之间的关系,即通过一种模态样本来检索具有近似语义的另一种模态样本.近年来,跨模态检索逐渐成为国内外学术界研究的前沿和热点,是信息检索领域未来发展的重要方向.首先,聚焦于深度学习跨模态图文检索研究的最新进展,对基于...