论文笔记：Towards Diverse and Natural Image Descriptions via a Conditional GAN

论文笔记：Towards Diverse and Natural Image Descriptions via a Conditional GAN

ICCV 2017

Paper: http://openaccess.thecvf.com/content_ICCV_2017/papers/Dai_Towards_Diverse_and_ICCV_2017_paper.pdf

Implementation(Torch): https://github.com/doubledaibo/gancaption_iccv2017

本文的目标是想产生高质量的图像描述语句：more Natural and Diverse !

所以本文采用了 Conditional GAN 来实现这一想法，通过控制 random noise vector Z 来生成具有多样性的语句。

其实模型的整体思路和 seqGAN 是一致的，就是利用 Generator 来产生一个句子，然后交给 Discriminator 来进行判断。

不同之处在于，与 NLP 中的文本生成不同，Image Caption 需要根据图像的内容进行句子的产生，然后就变成了 Conditional GAN 了。文章的写作也是重点体现 CGAN 的作用。

如上图所示，作者也将 random noise Z 添加进去，以控制产生文本的多样性，基于这两个条件，提取特征，输入给 LSTM，每一个时刻输出一个单词，直到遇到表示句子停止的单词符号为止（例如，[End]）。这样就生成了一个句子。

然后作者用 LSTM 提取生成的句子和 Ground Truth 句子的向量，然后塞给 Discriminator，进行判断。

重点来了，因为文本的生成是离散的符号生成问题，原本用于图像生成的 CGAN 并不能直接用于此任务。因为梯度的些许改变，也许并不能改变其输出。

所以，这里需要强化学习技术 Policy Gradient 来进行转换，将判别器的得分输出，转变为 智能体的奖赏 r，优化产生器的参数，使其输出的句子能够获得最大的奖励，从而使得最终获得较好的文本生成效果。这样就把文本的生成问题，看做是强化学习中的动作选择问题（Action Selection）。

如上图所示，当给你某一段生成的部分句子，由于交给判别器进行打分，需要完成的一句话。所以，文章采用蒙特卡洛 Rollout 的方法，将句子进行补充完整。然后才交给判别器进行打分，获得奖励信号。根据得到的奖励信号，再进行梯度的调整，进而完成产生器 G 的优化。

所以，期望累积奖赏为：

其梯度为：

其中，$\pi$ 那一项是强化学习中的策略（Policy），将条件 f(I), Z 以及接下来的单词 $S_{1:t-1}$ 作为输入，并且产生一个在拓展词汇表中的条件分布（a conditional distribution over the extended vocabulary），即：产生的所有单词加一个表示语句结束的符号，记为 e。奖励是 ，该得分是由判别器 E 给出的。

此外，作者也将该模型拓展到产生段落文字的应用场景（利用 Hierarchical LSTM design）。