陳詩漢, 馬洪江, 王 婷, 何松澤

(成都信息工程大學計算機學院,四川 成都 610200)

0 引言

近年來隨著社交媒體的快速發(fā)展以及智能手機的普及,多模態(tài)數(shù)據(jù)呈爆炸式增長,如圖像、視頻等。多模態(tài)數(shù)據(jù)是用戶交流和記錄生活的媒介,通常蘊涵著豐富的個人情感。從多模態(tài)數(shù)據(jù)中挖掘和理解情感信息,即多模態(tài)情感分析(multimodal sentiment analysis,MSA),已經(jīng)成為一個熱門的研究課題。相較于傳統(tǒng)的文本情感信息提取,對于視頻這類的多模態(tài)數(shù)據(jù)提取會存在很多困難,因為其包含了語音、文本以及圖像信息。而且傳統(tǒng)的基于單模態(tài)情感分析的機器學習方法在多模態(tài)情感分析這類任務上存在較大的局限性[1]。

鑒于人可以用不同的方式表達情感,包括使用不同的聲調(diào)或面部表情,對于這些多模態(tài)數(shù)據(jù),同一數(shù)據(jù)段中的不同模態(tài)會相互補充[2],為語義和情感消歧提供額外幫助。因此可以使用多模態(tài)融合相關(guān)技術(shù)來識別人類的情感[3]。多模態(tài)融合技術(shù)是一種從海量多模態(tài)數(shù)據(jù)中提取整合信息并可用于提高信息處理效率的技術(shù)[4],現(xiàn)已被廣泛用于處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)[5]。目前該領(lǐng)域的大部分工作都集中在早期或晚期融合上。早期的融合模型采用簡單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),Zadeh等[6]提出了一個張量融合網(wǎng)絡(luò),在更深層融合了不同的模態(tài)表征。薛其威等[7]通過多模態(tài)特征融合對無人駕駛系統(tǒng)車輛進行檢測,在KITTI數(shù)據(jù)集上其平均檢測精度為84.71%。另外,Sun等[8]優(yōu)化了模態(tài)表征之間的相關(guān)性以進行融合,然后將融合結(jié)果傳遞給下游任務。

受深度學習的影響,各類相關(guān)研究層出不窮,其中注意力機制獲得廣泛關(guān)注,LSTM(long short-term memory)被用于隨時間捕獲模態(tài)之間的交互。顏增顯等[9]利用多模態(tài)通道注意力網(wǎng)絡(luò)來融合不同模態(tài)的特征進行人臉反欺騙算法研究,在CASIA-SURF數(shù)據(jù)集上獲得良好的效果。王旭陽等[10]利用注意力機制與時域卷積網(wǎng)絡(luò)建立多模態(tài)融合的模型,在CMU-MOSI數(shù)據(jù)集上相較于基線有了較大的提升。Tsai等[11]提出一種可以動態(tài)調(diào)整模態(tài)之間的權(quán)重,為多模態(tài)融合提供可解釋性的方案。受模態(tài)分離領(lǐng)域進步的推動,Hazarika等[12]將模態(tài)特征投影到專有和公共特征空間中,以捕捉不同模態(tài)的獨有和共享特征以方便后期進行融合。雖然這些研究中能達到的效果比較有限,但也為后續(xù)相關(guān)研究做好了相應的鋪墊。Makiuchi等[13]提出了一種基于Transformer的模型將語音和文本數(shù)據(jù)進行融合,在IEMOCAP數(shù)據(jù)集上得到73.0%的準確率。Byun等[14]也提出了一種利用深度學習融合語音和文本數(shù)據(jù)進行情感識別的模型,在自行構(gòu)建的韓語數(shù)據(jù)集上達到了95.97%的準確率。還有黃歡等[15]設(shè)計了一個AV-MSA模型,利用交叉投票機制將視覺與音頻信息融合進行情感分析,在IEMOCAP和WB-AV數(shù)據(jù)集上取得了較好的效果,這些研究表明情感識別任務可以從多模態(tài)中受益。

在MSA任務中進行信息抽取以及信息融合的時候可能會丟失實際信息并額外引入每種模態(tài)攜帶的噪聲。為減少這個問題帶來的影響,一種互信息(mutual information,MI)方法被用于評估成對的多維變量(即各個模態(tài))之間的依賴關(guān)系,并且可有效去除與下游任務無關(guān)的冗余信息[16]。由于互信息在處理時,會存在信息丟失的問題[17]。本文基本互信息方法提出了一種多模態(tài)融合最大化模型(multi-modal fusion max,MMFM),其核心是在多模態(tài)融合中分層最大化互信息。

本文提出一種基于多模態(tài)融合的分層MI最大化模型,用于多模態(tài)情感分析。其中多模態(tài)融合最大化發(fā)生在輸入和融合模塊,可以減少有價值任務相關(guān)信息的丟失。在公開的情感數(shù)據(jù)集上進行的實驗,獲得較好的效果。

1 方法

1.1 概述

在多模態(tài)情感分析任務中,模型的輸入是從視頻片段中提取的單模態(tài)原始序列Xm,其中m表示向量維數(shù)。文中,m∈{t,v,a},其中t,v,a分別表示3種不同類型的模態(tài)——文本、視覺和聲音。目標是從這些輸入向量中提取和整合關(guān)于任務相關(guān)的情感信息,形成統(tǒng)一的表示,并將其用于對反映情感強度的真值y進行準確預測。

1.2 整體架構(gòu)

整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示,輸入的信息包括視頻、文本和語音3種。首先,模型使用特征提取器和編碼器分別將3種原始輸入處理為數(shù)字序列向量Xv,Xa,Xt。然后,編碼后的數(shù)據(jù)主要經(jīng)過融合網(wǎng)絡(luò)和MI最大化兩部分進行處理,分別對應著圖1中的實線和虛線標記。其中,在融合部分融合網(wǎng)絡(luò)將不同模態(tài)信息兩兩交互,將單模表示轉(zhuǎn)換為融合結(jié)果K,再通過回歸多層感知器(multi-layer perception,MLP)進行最終的預測。在互信息部分,MI最大化是為了估計和提升輸入層和融合層的MI下界。這兩個部分同時工作用于產(chǎn)生后續(xù)識別任務以及互信息相關(guān)的損失,通過模型學習將任務相關(guān)信息融入融合結(jié)果,并提高主任務中預測的準確性。

圖1 模型總體結(jié)構(gòu)

1.3 模態(tài)編碼

模態(tài)編碼負責將多模態(tài)順序輸入Xm編碼為單位長度表示為 Hm具體來說,對于文本信息,使用BERT[18](bidirectional encoder representation from transformers)對輸入句子進行編碼,并從最后一層的輸出中提取頭部嵌入作為Ht。對于視覺和聲學的內(nèi)容,采用兩種特定于模態(tài)的單向LSTM[19]捕捉這些模態(tài)的時間特征。

1.4 模態(tài)間MI最大化

互信息是信息論中的一個概念,用于估計變量對之間的關(guān)系[20],定義為

其中x與y為不同的隨機變量。

Alemi等[21]首先將與MI相關(guān)的優(yōu)化結(jié)合到深度學習模型中。另外在其他研究中也有證明MI最大化的優(yōu)勢[22]。然而,由于在高維空間中直接進行MI幾乎是不可能的,所以很多工作都是直接優(yōu)化MI的下界。文中,是在輸入級別和融合級別應用MI下界,并根據(jù)要估計的項的數(shù)據(jù)特征和數(shù)學屬性制定這些界限的估計方法。

MI可以評估視頻中不同模態(tài)間的依賴程度,通過將MI最大化可以實現(xiàn)多模態(tài)間更好的融合。對于視頻V,將來自單個視頻剪輯的模態(tài)表示對標記為X和Y(它們之間通常存在相關(guān)性),在先驗分布已知時,可以將X和Y的先驗分布化為P(X)=∫VP(X,Y|V)P(V),P(Y)=∫VP(Y|V)P(V),聯(lián)合分布為P(X,Y)=∫VP(X,Y|V)P(V)。因存在相關(guān)性,可以利用MI過濾掉與任務無關(guān)的噪聲來提高性能。基于以上分析,為實現(xiàn)多模態(tài)更大程度的融合并且保持模態(tài)內(nèi)容不變,本文利用一個易于處理的MI下限,而不是直接計算MI,并參照Baber等[23]采用的較為準確且直接的MI下限,其近似于真值條件分布p(y|x),如式(2)所示。

其中q(y|x)是預測的概率分布,KL是用于度量兩個概率分布相似度的指標,H(Y)是Y的微分熵,IB為Baber等使用的MI下界。當q(y|x)=p(y|x)時,界值和真值之間沒有差距。在每一對模態(tài)(X,Y)中,其中一個模態(tài)視為X,則另外一個模態(tài)視為Y。然后訓練一個預測器q(y|x)來逼近p(y|x)。本文在實驗過程中優(yōu)化了不同模態(tài)對的邊界—文本與視覺、文本與聲學、視覺與聲學。另外,在消融研究部分檢查了設(shè)計的有效性。將q(y|x)公式化為多元高斯分布qθ(y|x)=N(y|μθ1(x),(x)I),兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由 θ1和 θ2參數(shù)化為分別預測均值和方差。損失函數(shù)為:

其中n是訓練中的批量大小,tv,ta,va表示3個預測變量的可能性之和。

本文采用情感極性(非負/負)作為分類標準,它是數(shù)據(jù)集中的一個自然屬性,可以平衡估計精度和計算成本。對于熵項H(Y),使用高斯混合模型(Gaussian mixed model,GMM)來求解計算,這是一種常用的未知分布近似方法。GMM為不同的屬性類別建立了多個高斯分布。多元正態(tài)分布的熵為:

式中k是GMM中向量的維數(shù),det(∑)是協(xié)方差矩陣∑的行列式。基于數(shù)據(jù)集中兩個極性類別的頻率幾乎相等,本文采用來自Huber等[24]使用的GMM熵的下界和上界,公式如下:

其中hc是c類的子分布的熵,wc為c類子分布的先驗概率。取下界作為近似值,得到MI下界的熵項:

另外,在訓練時,根據(jù)統(tǒng)計理論,應該增加批量大小以減少估計誤差,可以通過包含最近歷史的數(shù)據(jù)來間接擴大采樣批次。在實驗過程中將這些數(shù)據(jù)存儲在歷史數(shù)據(jù)存儲器中,MI下限最大化的損失函數(shù)由式(7)給出:

1.5 融合層面的MI最大化

為捕獲模態(tài)之間的模態(tài)不變線索,在融合結(jié)果和輸入模態(tài)之間重復MI最大化。目標是產(chǎn)生融合結(jié)果K=F(Xt,Xv,Xa)的融合網(wǎng)絡(luò)F。由于已經(jīng)有了從Xm到K的生成路徑,考慮一條相反的路徑,即從K構(gòu)造Xm,m∈{t,v,a}。可以使用分數(shù)函數(shù)作用于歸一化的預測和真值向量來衡量它們的相關(guān)性:

其中Gφ是參數(shù)φ的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),它從K生成Hm的預測,通過將同一批次中該模態(tài)的所有其他表示視為負樣本,將這個分數(shù)函數(shù)合并到噪聲對比估計框架[25]中,即

等式(9)實際上視為二分類交叉熵損失,H是一組樣本,公式中分數(shù)上下兩部分可以視為正負樣本對,當正樣本對之間的互信息更大,負樣本對之間的互信息更小時,符合互信息最大化要求,因此通過優(yōu)化該損失,可以讓互信息最大化。由于對比預測編碼(contrastive predictive coding,CPC)可以學習更多的全局結(jié)構(gòu),在模型中,融合結(jié)果K反向預測跨模態(tài)的表示,以便可以將更多模態(tài)固有信息傳遞給K。此外,通過將每個模態(tài)的預測對齊,使模型能夠決定它應該從每種模態(tài)中接收到多少信息。損失函數(shù)為

1.6 訓練

訓練過程包括兩個階段:在第一階段,近似p(y|x)與q(y|x)通過最小化多模態(tài)預測變量的負對數(shù)似然。在第二階段,將之前的MI下界作為輔助損失添加到主要損失中。在獲得最終預測及真值y后得到任務損失:

其中MAE(mean absolute error)代表平均絕對誤差損失。最后來計算所有這些損失的加權(quán)和以獲得該階段的主要損失:

其中α、β是控制 MI最大化影響的超參數(shù)。

2 實驗

2.1 數(shù)據(jù)集

采用數(shù)據(jù)集為關(guān)于多模態(tài)情感分析研究的公開數(shù)據(jù)集,即 CMU-MOSEI[26],它包含來自 YouTube的23454個電影視頻剪輯。

2.2 基本設(shè)置與指標

本文分別采用P2FA[27]和COVAREP[28]工具包對于圖像和音頻內(nèi)容進行特征提取。而對于文本內(nèi)容,使用預訓練好的BERT模型來獲得詞向量,最后在GPU上訓練模型。評測指標如下:平均絕對誤差(MAE),它是預測值和真值之間的平均絕對差值,衡量預測偏斜程度的皮爾遜相關(guān)性(pearson correlation,Corr),七分類準確度(seven-classclassification accuracy,Acc-7),二分類準確度(binary classification accuracy,Acc-2)和F1分數(shù)。

2.3 模型比較

為了解本文模型的相對性能,將模型與許多具有較好效果的基線進行比較,如 TFN[14]、LMF[29]、MFM[16]、MULT[11]、ICCN[30]和 MISA[13]。

2.4 結(jié)果

實驗結(jié)果見表1所示,對于Acc-2和F1值有兩組評估結(jié)果,左邊值為積極情緒結(jié)果,右邊值為消極情緒結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)MMFM與許多基線方法相比具有更優(yōu)的結(jié)果。具體來說,本文模型在 CMU-MOSEI上的Acc-7、Acc2、F1得分都優(yōu)于其他模型。對于其他指標,MMFM的性能也非常好。這些結(jié)果初步證明了本文的方法在多模態(tài)情感分析任務中的有效性。

表1 CMU-MOSEI數(shù)據(jù)集上的運行結(jié)果

2.5 消融研究

為體現(xiàn)模型中提出的損失函數(shù)和相應估計方法的優(yōu)勢,本文在CMU-MOSEI上進行了一系列消融實驗,表2為不同消融設(shè)置下的結(jié)果。首先,消除了一個或幾個MI損失項,包括模態(tài)間的MI下限(IB)和CPC損失。從表2中可以注意到去除部分MI損失后明顯的性能下降,它顯示了多模態(tài)融合最大化模型的效果。此外,通過將多模態(tài)MI中的當前優(yōu)化目標對替換為單個對或其他對組合,無法獲得更好的結(jié)果,也驗證設(shè)計的合理性。然后測試熵估計,當停用歷史記憶并僅使用當前批次評估中的μ和∑時,出現(xiàn)“NaN”值,表示訓練過程崩潰。因此,基于歷史的估計具有保證訓練穩(wěn)定性的優(yōu)點。最后,將GMM替換為統(tǒng)一的高斯分布,其中μ和∑在所有樣本上進行估計,不管它們的極性類別如何,結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有指標都有明顯下降,這意味著基于自然分類的GMM可以更準確地估計熵項。

表2 模型消融研究結(jié)果

3 結(jié)論

從模型在數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)來看,本文提出的多模態(tài)最大化融合框架在針對多模態(tài)情感識別的問題上取得一定的效果。且進一步的消融研究結(jié)果驗證了模型的有效性。在未來,將多模態(tài)應用于情感分析會有較好的發(fā)展?jié)摿σ约拜^高的應用價值,相信這項工作可以更多激發(fā)多模態(tài)情感分析的創(chuàng)造力。