Image captioning评价方法之SPICE

项目地址：https://panderson.me/spice/

上述的项目地址包含了论文地址和代码地址。

该方法是由The Australian National University和Macquarie University联合发表在ECCV2016上。

文章认为之前的评价方法采用n-gram的方式计算不是特别的好，例如下面例子

(a) A young girl standing on top of a tennis court.
(b) A giraffe standing on top of a green field.

a,b两个句子完全不是相同的意思，但是即使使用5-gram来度量，由于都存在‘standing on top of a’这个短语，导致这两个句子的相似度会很高。

而拿下面例子来说：

(c) A shiny metal pot filled with some diced veggies.
(d) The pan on the stove has chopped vegetables in it.

c,d是表达一个意思，但是拿n-gram来度量，它们相似度很低。

文章考虑利用scene graph来对两个句子之间的相似度进行度量。先要说明的是，SPICE（Semantic Propositional Image Caption Evaluation）从名字上看是为了image caption任务提出的，但是对结果进行评测时，实际是比较candidate caption和reference caption之间的关系，所以跟MT（machine translation）任务的评测很像。又由于文章使用了semantic结构对场景描述，给出了对应的名词，所以文章的方法更适合评价image captions任务。

先给出一些符号的定义，一个candidate caption用c表示，对应同一个图片的的reference captions集合用 $S=\{s_1, ..., s_m\}$ 表示。评价的目的就是求c与S之间的相似度。

一、Semantic Parsing—Captions to Scene Graphs

在计算相似度之间，先介绍一下scene graph的概念，并且解释一下怎么将caption转换为scene graph。

给定一个目标类别(object classes)的集合C，一个关系类型(relation types)集合R，一个属性类型(attribute types)集合A，和一个caption c，将c转换为scene graph的方法用符号表示为

$G(c)=\langle O(c), E(c), K(c)\rangle$

式中， $O(c)\subseteq C$ 表示c中提到的目标， $E(c)\subseteq O(c)\times R\times O(c)$ 表示目标之间的连接， $K(c)\subseteq O(c)\times A$ 表示目标与属性之间的关系连接。

文章先使用the Stanford Scene Graph Parser将caption转换为一个依赖树结构，然后利用九个简单的语言规则将树结构转换为一个scene graph。如下图所示，左边为一幅图和它对于的一些描述，右边为所有描述生成的一张scene graph。图中红色表示目标，绿色表示属性，蓝色表示关系。

在这里插入图片描述

二、SPICE计算

在上面流程等到了candidate和reference scene graphs后，需要将图中的连接逻辑用一系列的元组表示。用公式表示如下：

$T(G(c))\overset{\Delta}{=}O(c)\bigcup E(c)\bigcup K(c)$

上式中，T表示将scene graph转换为元组集合。元组包含了一个或者两个或者三个元素，这些元素用来表示目标、属性、关系之间的关系。

如下图所示的的scene graph

在这里插入图片描述

表示成元组集合为：

{(girl), (court), (girl, young), (girl, standing), (court, tennis), (girl, on-top-of, court)}

知道如何将scene graph转换为元组集合后，那么就可以计算SPICE了，用公式表示如下：

$S)=\frac{|T(G(c))\bigotimes T(G(S))|}{|T(G(c))|}$

$S)=\frac{|T(G(c))\bigotimes T(G(S))|}{|T(G(S))|}$

$S)=F_1(c,S)=\frac{2\cdot P(c, S)\cdot R(c,S)}{P(c, S)+R(c, S)}$

式中 $\bigotimes$ 表示两个元组集合匹配上的元组，这里匹配采用的是与METEOR相同的规则，即形式不同或者同义词都认为是相同的词。

上述是一张图片的评测结果，如果是一个数据集，那么总的结果为所有结果求平均。