Text-image synergy for multimodal retrieval and annotation

Text and images are the two most common data modalities found on the Internet. Understanding the synergy between text and images, that is, seamlessly analyzing information from these modalities may be trivial for humans, but is challenging for software systems. In this dissertation we study problems where deciphering text-image synergy is crucial for finding solutions. We propose methods and ideas that establish semantic connections between text and images in multimodal contents, and empirically show their effectiveness in four interconnected problems: Image Retrieval, Image Tag Refinement, Image-Text Alignment, and Image Captioning. Our promising results and observations open up interesting scopes for future research involving text-image data understanding.Text and images are the two most common data modalities found on the Internet. Understanding the synergy between text and images, that is, seamlessly analyzing information from these modalities may be trivial for humans, but is challenging for software systems. In this dissertation we study problems where deciphering text-image synergy is crucial for finding solutions. We propose methods and ideas that establish semantic connections between text and images in multimodal contents, and empirically show their effectiveness in four interconnected problems: Image Retrieval, Image Tag Refinement, Image-Text Alignment, and Image Captioning. Our promising results and observations open up interesting scopes for future research involving text-image data understanding.Text und Bild sind die beiden häufigsten Arten von Inhalten im Internet. Während es für Menschen einfach ist, gerade aus dem Zusammenspiel von Text- und Bildinhalten Informationen zu erfassen, stellt diese kombinierte Darstellung von Inhalten Softwaresysteme vor große Herausforderungen. In dieser Dissertation werden Probleme studiert, für deren Lösung das Verständnis des Zusammenspiels von Text- und Bildinhalten wesentlich ist. Es werden Methoden und Vorschläge präsentiert und empirisch bewertet, die semantische Verbindungen zwischen Text und Bild in multimodalen Daten herstellen. Wir stellen in dieser Dissertation vier miteinander verbundene Text- und Bildprobleme vor: • Bildersuche. Ob Bilder anhand von textbasierten Suchanfragen gefunden werden, hängt stark davon ab, ob der Text in der Nähe des Bildes mit dem der Anfrage übereinstimmt. Bilder ohne textuellen Kontext, oder sogar mit thematisch passendem Kontext, aber ohne direkte Übereinstimmungen der vorhandenen Schlagworte zur Suchanfrage, können häufig nicht gefunden werden. Zur Abhilfe schlagen wir vor, drei Arten von Informationen in Kombination zu nutzen: visuelle Informationen (in Form von automatisch generierten Bildbeschreibungen), textuelle Informationen (Stichworte aus vorangegangenen Suchanfragen), und Alltagswissen. • Verbesserte Bildbeschreibungen. Bei der Objekterkennung durch Computer Vision kommt es des Öfteren zu Fehldetektionen und Inkohärenzen. Die korrekte Identifikation von Bildinhalten ist jedoch eine wichtige Voraussetzung für die Suche nach Bildern mittels textueller Suchanfragen. Um die Fehleranfälligkeit bei der Objekterkennung zu minimieren, schlagen wir vor Alltagswissen einzubeziehen. Durch zusätzliche Bild-Annotationen, welche sich durch den gesunden Menschenverstand als thematisch passend erweisen, können viele fehlerhafte und zusammenhanglose Erkennungen vermieden werden. • Bild-Text Platzierung. Auf Internetseiten mit Text- und Bildinhalten (wie Nachrichtenseiten, Blogbeiträge, Artikel in sozialen Medien) werden Bilder in der Regel an semantisch sinnvollen Positionen im Textfluss platziert. Wir nutzen dies um ein Framework vorzuschlagen, in dem relevante Bilder ausgesucht werden und mit den passenden Abschnitten eines Textes assoziiert werden. • Bildunterschriften. Bilder, die als Teil von multimodalen Inhalten zur Verbesserung der Lesbarkeit von Texten dienen, haben typischerweise Bildunterschriften, die zum Kontext des umgebenden Texts passen. Wir schlagen vor, den Kontext beim automatischen Generieren von Bildunterschriften ebenfalls einzubeziehen. Üblicherweise werden hierfür die Bilder allein analysiert. Wir stellen die kontextbezogene Bildunterschriftengenerierung vor. Unsere vielversprechenden Beobachtungen und Ergebnisse eröffnen interessante Möglichkeiten für weitergehende Forschung zur computergestützten Erfassung des Zusammenspiels von Text- und Bildinhalten

Low-Resource Unsupervised NMT:Diagnosing the Problem and Providing a Linguistically Motivated Solution

Unsupervised Machine Translation hasbeen advancing our ability to translatewithout parallel data, but state-of-the-artmethods assume an abundance of mono-lingual data. This paper investigates thescenario where monolingual data is lim-ited as well, finding that current unsuper-vised methods suffer in performance un-der this stricter setting. We find that theperformance loss originates from the poorquality of the pretrained monolingual em-beddings, and we propose using linguis-tic information in the embedding train-ing scheme. To support this, we look attwo linguistic features that may help im-prove alignment quality: dependency in-formation and sub-word information. Us-ing dependency-based embeddings resultsin a complementary word representationwhich offers a boost in performance ofaround 1.5 BLEU points compared to stan-dardWORD2VECwhen monolingual datais limited to 1 million sentences per lan-guage. We also find that the inclusion ofsub-word information is crucial to improv-ing the quality of the embedding

An Unsolicited Soliloquy on Dependency Parsing

Programa Oficial de Doutoramento en Computación . 5009V01[Abstract] This thesis presents work on dependency parsing covering two distinct lines of research. The first aims to develop efficient parsers so that they can be fast enough to parse large amounts of data while still maintaining decent accuracy. We investigate two techniques to achieve this. The first is a cognitively-inspired method and the second uses a model distillation method. The first technique proved to be utterly dismal, while the second was somewhat of a success. The second line of research presented in this thesis evaluates parsers. This is also done in two ways. We aim to evaluate what causes variation in parsing performance for different algorithms and also different treebanks. This evaluation is grounded in dependency displacements (the directed distance between a dependent and its head) and the subsequent distributions associated with algorithms and the distributions found in treebanks. This work sheds some light on the variation in performance for both different algorithms and different treebanks. And the second part of this area focuses on the utility of part-of-speech tags when used with parsing systems and questions the standard position of assuming that they might help but they certainly won’t hurt.[Resumen] Esta tesis presenta trabajo sobre análisis de dependencias que cubre dos líneas de investigación distintas. La primera tiene como objetivo desarrollar analizadores eficientes, de modo que sean suficientemente rápidos como para analizar grandes volúmenes de datos y, al mismo tiempo, sean suficientemente precisos. Investigamos dos métodos. El primero se basa en teorías cognitivas y el segundo usa una técnica de destilación. La primera técnica resultó un enorme fracaso, mientras que la segunda fue en cierto modo un ´éxito. La otra línea evalúa los analizadores sintácticos. Esto también se hace de dos maneras. Evaluamos la causa de la variación en el rendimiento de los analizadores para distintos algoritmos y corpus. Esta evaluación utiliza la diferencia entre las distribuciones del desplazamiento de arista (la distancia dirigida de las aristas) correspondientes a cada algoritmo y corpus. También evalúa la diferencia entre las distribuciones del desplazamiento de arista en los datos de entrenamiento y prueba. Este trabajo esclarece las variaciones en el rendimiento para algoritmos y corpus diferentes. La segunda parte de esta línea investiga la utilidad de las etiquetas gramaticales para los analizadores sintácticos.[Resumo] Esta tese presenta traballo sobre análise sintáctica, cubrindo dúas liñas de investigación. A primeira aspira a desenvolver analizadores eficientes, de maneira que sexan suficientemente rápidos para procesar grandes volumes de datos e á vez sexan precisos. Investigamos dous métodos. O primeiro baséase nunha teoría cognitiva, e o segundo usa unha técnica de destilación. O primeiro método foi un enorme fracaso, mentres que o segundo foi en certo modo un éxito. A outra liña avalúa os analizadores sintácticos. Esto tamén se fai de dúas maneiras. Avaliamos a causa da variación no rendemento dos analizadores para distintos algoritmos e corpus. Esta avaliaci´on usa a diferencia entre as distribucións do desprazamento de arista (a distancia dirixida das aristas) correspondentes aos algoritmos e aos corpus. Tamén avalía a diferencia entre as distribucións do desprazamento de arista nos datos de adestramento e proba. Este traballo esclarece as variacións no rendemento para algoritmos e corpus diferentes. A segunda parte desta liña investiga a utilidade das etiquetas gramaticais para os analizadores sintácticos.This work has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (FASTPARSE, grant agreement No 714150) and from the Centro de Investigación de Galicia (CITIC) which is funded by the Xunta de Galicia and the European Union (ERDF - Galicia 2014-2020 Program) by grant ED431G 2019/01.Xunta de Galicia; ED431G 2019/0

PERICLES Deliverable 4.3:Content Semantics and Use Context Analysis Techniques

The current deliverable summarises the work conducted within task T4.3 of WP4, focusing on the extraction and the subsequent analysis of semantic information from digital content, which is imperative for its preservability. More specifically, the deliverable defines content semantic information from a visual and textual perspective, explains how this information can be exploited in long-term digital preservation and proposes novel approaches for extracting this information in a scalable manner. Additionally, the deliverable discusses novel techniques for retrieving and analysing the context of use of digital objects. Although this topic has not been extensively studied by existing literature, we believe use context is vital in augmenting the semantic information and maintaining the usability and preservability of the digital objects, as well as their ability to be accurately interpreted as initially intended.PERICLE

Developing a User-Friendly and Modular Framework for Deep Learning Methods in 3D Bioimage Segmentation

The emergence of deep learning has breathed new life into image analysis, especially for the segmentation, a challenging step required to quantify bidimensional (2D) and tridimensional (3D) objects. Despite deep learning promises, these methods are only slowly spreading in the biological field. In this PhD project, the 3D nucleus of the cell is used as the object of interest to understand how its shape variations contribute to the organisation of the genetic material. First a literature survey showed that very few publicly available methods for 3D nucleus segmentation provide the minimum requirements for their reproducibility. These methods were subsequently benchmarked and only one of them called nnU-Net surpassed the best specialized computer vision tool. Based on these observations, a new development philosophy was designed and, from it, Biom3d, a novel deep learning framework emerged. Biom3d is a user-friendly tool successfully used by biologists involved in 3D nucleus segmentation and provides a new alternative for automatically and accurately computing nuclear shape parameters. Being well optimized, Biom3d also surpasses the performance of cutting-edge methods on a wide variety of biological and medical segmentation problems. Being modular, Biom3d is a sustainable framework compatible with the latest deep learning innovations, such as self-supervised methods. Self-supervision aims at tackling the important need for deep learning methods in manual annotations by pretraining models on large unannotated datasets to extract information first before retraining them on annotated datasets. In this work, a self-supervised approach based on pretraining an entire U-Net model with the Triplet and Arcface losses was developed and demonstrates significant improvements over supervised methods for 3D segmentation. The performance, modularity and interdisciplinary nature of the tools developed during this project will serve as an innovation platform for a wide panel of users ranging from biologist users to future deep learning developers

A Concept for Deployment and Evaluation of Unsupervised Domain Adaptation in Cognitive Perception Systems

Jüngste Entwicklungen im Bereich des tiefen Lernens ermöglichen Perzeptionssystemen datengetrieben Wissen über einen vordefinierten Betriebsbereich, eine sogenannte Domäne, zu gewinnen. Diese Verfahren des überwachten Lernens werden durch das Aufkommen groß angelegter annotierter Datensätze und immer leistungsfähigerer Prozessoren vorangetrieben und zeigen unübertroffene Performanz bei Perzeptionsaufgaben in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen.Jedoch sind überwacht-trainierte neuronale Netze durch die Menge an verfügbaren annotierten Daten limitiert und dies wiederum findet in einem begrenzten Betriebsbereich Ausdruck. Dabei beruht überwachtes Lernen stark auf manuell durchzuführender Datenannotation. Insbesondere durch die ständig steigende Verfügbarkeit von nicht annotierten großen Datenmengen ist der Gebrauch von unüberwachter Domänenanpassung entscheidend. Verfahren zur unüberwachten Domänenanpassung sind meist nicht geeignet, um eine notwendige Inbetriebnahme des neuronalen Netzes in einer zusätzlichen Domäne zu gewährleisten. Darüber hinaus sind vorhandene Metriken häufig unzureichend für eine auf die Anwendung der domänenangepassten neuronalen Netzen ausgerichtete Validierung. Der Hauptbeitrag der vorliegenden Dissertation besteht aus neuen Konzepten zur unüberwachten Domänenanpassung. Basierend auf einer Kategorisierung von Domänenübergängen und a priori verfügbaren Wissensrepräsentationen durch ein überwacht-trainiertes neuronales Netz wird eine unüberwachte Domänenanpassung auf nicht annotierten Daten ermöglicht. Um die kontinuierliche Bereitstellung von neuronalen Netzen für die Anwendung in der Perzeption zu adressieren, wurden neuartige Verfahren speziell für die unüberwachte Erweiterung des Betriebsbereichs eines neuronalen Netzes entwickelt. Beispielhafte Anwendungsfälle des Fahrzeugsehens zeigen, wie die neuartigen Verfahren kombiniert mit neu entwickelten Metriken zur kontinuierlichen Inbetriebnahme von neuronalen Netzen auf nicht annotierten Daten beitragen. Außerdem werden die Implementierungen aller entwickelten Verfahren und Algorithmen dargestellt und öffentlich zugänglich gemacht. Insbesondere wurden die neuartigen Verfahren erfolgreich auf die unüberwachte Domänenanpassung, ausgehend von der Tag- auf die Nachtobjekterkennung im Bereich des Fahrzeugsehens angewendet