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

Towards generalizable neuro-symbolic reasoners

Doctor of PhilosophyDepartment of Computer ScienceMajor Professor Not ListedSymbolic knowledge representation and reasoning and deep learning are fundamentally different approaches to artificial intelligence with complementary capabilities. The former are transparent and data-efficient, but they are sensitive to noise and cannot be applied to non-symbolic domains where the data is ambiguous. The latter can learn complex tasks from examples, are robust to noise, but are black boxes; require large amounts of --not necessarily easily obtained-- data, and are slow to learn and prone to adversarial examples. Either paradigm excels at certain types of problems where the other paradigm performs poorly. In order to develop stronger AI systems, integrated neuro-symbolic systems that combine artificial neural networks and symbolic reasoning are being sought. In this context, one of the fundamental open problems is how to perform logic-based deductive reasoning over knowledge bases by means of trainable artificial neural networks. Over the course of this dissertation, we provide a brief summary of our recent efforts to bridge the neural and symbolic divide in the context of deep deductive reasoners. More specifically, We designed a novel way of conducting neuro-symbolic through pointing to the input elements. More importantly we showed that the proposed approach is generalizable across new domain and vocabulary demonstrating symbol-invariant zero-shot reasoning capability. Furthermore, We have demonstrated that a deep learning architecture based on memory networks and pre-embedding normalization is capable of learning how to perform deductive reason over previously unseen RDF KGs with high accuracy. We are applying these models on Resource Description Framework (RDF), first-order logic, and the description logic EL+ respectively. Throughout this dissertation we will discuss strengths and limitations of these models particularly in term of accuracy, scalability, transferability, and generalizabiliy. Based on our experimental results, pointer networks perform remarkably well across multiple reasoning tasks while outperforming the previously reported state of the art by a significant margin. We observe that the Pointer Networks preserve their performance even when challenged with knowledge graphs of the domain/vocabulary it has never encountered before. To our knowledge, this work is the first attempt to reveal the impressive power of pointer networks for conducting deductive reasoning. Similarly, we show that memory networks can be trained to perform deductive RDFS reasoning with high precision and recall. The trained memory network's capabilities in fact transfer to previously unseen knowledge bases. Finally will talk about possible modifications to enhance desirable capabilities. Altogether, these research topics, resulted in a methodology for symbol-invariant neuro-symbolic reasoning

Attention-based Approaches for Text Analytics in Social Media and Automatic Summarization

[ES] Hoy en día, la sociedad tiene acceso y posibilidad de contribuir a grandes cantidades de contenidos presentes en Internet, como redes sociales, periódicos online, foros, blogs o plataformas de contenido multimedia. Todo este tipo de medios han tenido, durante los últimos años, un impacto abrumador en el día a día de individuos y organizaciones, siendo actualmente medios predominantes para compartir, debatir y analizar contenidos online. Por este motivo, resulta de interés trabajar sobre este tipo de plataformas, desde diferentes puntos de vista, bajo el paraguas del Procesamiento del Lenguaje Natural. En esta tesis nos centramos en dos áreas amplias dentro de este campo, aplicadas al análisis de contenido en línea: análisis de texto en redes sociales y resumen automático. En paralelo, las redes neuronales también son un tema central de esta tesis, donde toda la experimentación se ha realizado utilizando enfoques de aprendizaje profundo, principalmente basados en mecanismos de atención. Además, trabajamos mayoritariamente con el idioma español, por ser un idioma poco explorado y de gran interés para los proyectos de investigación en los que participamos. Por un lado, para el análisis de texto en redes sociales, nos enfocamos en tareas de análisis afectivo, incluyendo análisis de sentimientos y detección de emociones, junto con el análisis de la ironía. En este sentido, se presenta un enfoque basado en Transformer Encoders, que consiste en contextualizar \textit{word embeddings} pre-entrenados con tweets en español, para abordar tareas de análisis de sentimiento y detección de ironía. También proponemos el uso de métricas de evaluación como funciones de pérdida, con el fin de entrenar redes neuronales, para reducir el impacto del desequilibrio de clases en tareas \textit{multi-class} y \textit{multi-label} de detección de emociones. Adicionalmente, se presenta una especialización de BERT tanto para el idioma español como para el dominio de Twitter, que tiene en cuenta la coherencia entre tweets en conversaciones de Twitter. El desempeño de todos estos enfoques ha sido probado con diferentes corpus, a partir de varios \textit{benchmarks} de referencia, mostrando resultados muy competitivos en todas las tareas abordadas. Por otro lado, nos centramos en el resumen extractivo de artículos periodísticos y de programas televisivos de debate. Con respecto al resumen de artículos, se presenta un marco teórico para el resumen extractivo, basado en redes jerárquicas siamesas con mecanismos de atención. También presentamos dos instancias de este marco: \textit{Siamese Hierarchical Attention Networks} y \textit{Siamese Hierarchical Transformer Encoders}. Estos sistemas han sido evaluados en los corpora CNN/DailyMail y NewsRoom, obteniendo resultados competitivos en comparación con otros enfoques extractivos coetáneos. Con respecto a los programas de debate, se ha propuesto una tarea que consiste en resumir las intervenciones transcritas de los ponentes, sobre un tema determinado, en el programa "La Noche en 24 Horas". Además, se propone un corpus de artículos periodísticos, recogidos de varios periódicos españoles en línea, con el fin de estudiar la transferibilidad de los enfoques propuestos, entre artículos e intervenciones de los participantes en los debates. Este enfoque muestra mejores resultados que otras técnicas extractivas, junto con una transferibilidad de dominio muy prometedora.[CA] Avui en dia, la societat té accés i possibilitat de contribuir a grans quantitats de continguts presents a Internet, com xarxes socials, diaris online, fòrums, blocs o plataformes de contingut multimèdia. Tot aquest tipus de mitjans han tingut, durant els darrers anys, un impacte aclaparador en el dia a dia d'individus i organitzacions, sent actualment mitjans predominants per compartir, debatre i analitzar continguts en línia. Per aquest motiu, resulta d'interès treballar sobre aquest tipus de plataformes, des de diferents punts de vista, sota el paraigua de l'Processament de el Llenguatge Natural. En aquesta tesi ens centrem en dues àrees àmplies dins d'aquest camp, aplicades a l'anàlisi de contingut en línia: anàlisi de text en xarxes socials i resum automàtic. En paral·lel, les xarxes neuronals també són un tema central d'aquesta tesi, on tota l'experimentació s'ha realitzat utilitzant enfocaments d'aprenentatge profund, principalment basats en mecanismes d'atenció. A més, treballem majoritàriament amb l'idioma espanyol, per ser un idioma poc explorat i de gran interès per als projectes de recerca en els que participem. D'una banda, per a l'anàlisi de text en xarxes socials, ens enfoquem en tasques d'anàlisi afectiu, incloent anàlisi de sentiments i detecció d'emocions, juntament amb l'anàlisi de la ironia. En aquest sentit, es presenta una aproximació basada en Transformer Encoders, que consisteix en contextualitzar \textit{word embeddings} pre-entrenats amb tweets en espanyol, per abordar tasques d'anàlisi de sentiment i detecció d'ironia. També proposem l'ús de mètriques d'avaluació com a funcions de pèrdua, per tal d'entrenar xarxes neuronals, per reduir l'impacte de l'desequilibri de classes en tasques \textit{multi-class} i \textit{multi-label} de detecció d'emocions. Addicionalment, es presenta una especialització de BERT tant per l'idioma espanyol com per al domini de Twitter, que té en compte la coherència entre tweets en converses de Twitter. El comportament de tots aquests enfocaments s'ha provat amb diferents corpus, a partir de diversos \textit{benchmarks} de referència, mostrant resultats molt competitius en totes les tasques abordades. D'altra banda, ens centrem en el resum extractiu d'articles periodístics i de programes televisius de debat. Pel que fa a l'resum d'articles, es presenta un marc teòric per al resum extractiu, basat en xarxes jeràrquiques siameses amb mecanismes d'atenció. També presentem dues instàncies d'aquest marc: \textit{Siamese Hierarchical Attention Networks} i \textit{Siamese Hierarchical Transformer Encoders}. Aquests sistemes s'han avaluat en els corpora CNN/DailyMail i Newsroom, obtenint resultats competitius en comparació amb altres enfocaments extractius coetanis. Pel que fa als programes de debat, s'ha proposat una tasca que consisteix a resumir les intervencions transcrites dels ponents, sobre un tema determinat, al programa "La Noche en 24 Horas". A més, es proposa un corpus d'articles periodístics, recollits de diversos diaris espanyols en línia, per tal d'estudiar la transferibilitat dels enfocaments proposats, entre articles i intervencions dels participants en els debats. Aquesta aproximació mostra millors resultats que altres tècniques extractives, juntament amb una transferibilitat de domini molt prometedora.[EN] Nowadays, society has access, and the possibility to contribute, to large amounts of the content present on the internet, such as social networks, online newspapers, forums, blogs, or multimedia content platforms. These platforms have had, during the last years, an overwhelming impact on the daily life of individuals and organizations, becoming the predominant ways for sharing, discussing, and analyzing online content. Therefore, it is very interesting to work with these platforms, from different points of view, under the umbrella of Natural Language Processing. In this thesis, we focus on two broad areas inside this field, applied to analyze online content: text analytics in social media and automatic summarization. Neural networks are also a central topic in this thesis, where all the experimentation has been performed by using deep learning approaches, mainly based on attention mechanisms. Besides, we mostly work with the Spanish language, due to it is an interesting and underexplored language with a great interest in the research projects we participated in. On the one hand, for text analytics in social media, we focused on affective analysis tasks, including sentiment analysis and emotion detection, along with the analysis of the irony. In this regard, an approach based on Transformer Encoders, based on contextualizing pretrained Spanish word embeddings from Twitter, to address sentiment analysis and irony detection tasks, is presented. We also propose the use of evaluation metrics as loss functions, in order to train neural networks for reducing the impact of the class imbalance in multi-class and multi-label emotion detection tasks. Additionally, a specialization of BERT both for the Spanish language and the Twitter domain, that takes into account inter-sentence coherence in Twitter conversation flows, is presented. The performance of all these approaches has been tested with different corpora, from several reference evaluation benchmarks, showing very competitive results in all the tasks addressed. On the other hand, we focused on extractive summarization of news articles and TV talk shows. Regarding the summarization of news articles, a theoretical framework for extractive summarization, based on siamese hierarchical networks with attention mechanisms, is presented. Also, we present two instantiations of this framework: Siamese Hierarchical Attention Networks and Siamese Hierarchical Transformer Encoders. These systems were evaluated on the CNN/DailyMail and the NewsRoom corpora, obtaining competitive results in comparison to other contemporary extractive approaches. Concerning the TV talk shows, we proposed a text summarization task, for summarizing the transcribed interventions of the speakers, about a given topic, in the Spanish TV talk shows of the ``La Noche en 24 Horas" program. In addition, a corpus of news articles, collected from several Spanish online newspapers, is proposed, in order to study the domain transferability of siamese hierarchical approaches, between news articles and interventions of debate participants. This approach shows better results than other extractive techniques, along with a very promising domain transferability.González Barba, JÁ. (2021). Attention-based Approaches for Text Analytics in Social Media and Automatic Summarization [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172245TESI

Script acquisition : a crowdsourcing and text mining approach

According to Grice’s (1975) theory of pragmatics, people tend to omit basic information when participating in a conversation (or writing a narrative) under the assumption that left out details are already known or can be inferred from commonsense knowledge by the hearer (or reader). Writing and understanding of texts makes particular use of a specific kind of common-sense knowledge, referred to as script knowledge. Schank and Abelson (1977) proposed Scripts as a model of human knowledge represented in memory that stores the frequent habitual activities, called scenarios, (e.g. eating in a fast food restaurant, etc.), and the different courses of action in those routines. This thesis addresses measures to provide a sound empirical basis for high-quality script models. We work on three key areas related to script modeling: script knowledge acquisition, script induction and script identification in text. We extend the existing repository of script knowledge bases in two different ways. First, we crowdsource a corpus of 40 scenarios with 100 event sequence descriptions (ESDs) each, thus going beyond the size of previous script collections. Second, the corpus is enriched with partial alignments of ESDs, done by human annotators. The crowdsourced partial alignments are used as prior knowledge to guide the semi-supervised script-induction algorithm proposed in this dissertation. We further present a semi-supervised clustering approach to induce script structure from crowdsourced descriptions of event sequences by grouping event descriptions into paraphrase sets and inducing their temporal order. The proposed semi-supervised clustering model better handles order variation in scripts and extends script representation formalism, Temporal Script graphs, by incorporating "arbitrary order" equivalence classes in order to allow for the flexible event order inherent in scripts. In the third part of this dissertation, we introduce the task of scenario detection, in which we identify references to scripts in narrative texts. We curate a benchmark dataset of annotated narrative texts, with segments labeled according to the scripts they instantiate. The dataset is the first of its kind. The analysis of the annotation shows that one can identify scenario references in text with reasonable reliability. Subsequently, we proposes a benchmark model that automatically segments and identifies text fragments referring to given scenarios. The proposed model achieved promising results, and therefore opens up research on script parsing and wide coverage script acquisition.Gemäß der Grice’schen (1975) Pragmatiktheorie neigen Menschen dazu, grundlegende Informationen auszulassen, wenn sie an einem Gespräch teilnehmen (oder eine Geschichte schreiben). Dies geschieht unter der Annahme, dass die ausgelassenen Details bereits bekannt sind, oder vom Hörer (oder Leser) aus Weltwissen erschlossen werden können. Besonders beim Schreiben und Verstehen von Text wird Verwendung einer spezifischen Art von solchem Weltwissen gemacht, welches auch Skriptwissen genannt wird. Schank und Abelson (1977) erdachten Skripte als ein Modell menschlichen Wissens, welches im menschlichen Gedächtnis gespeichert ist und häufige Alltags-Aktivitäten sowie deren typischen Ablauf beinhaltet. Solche Skript-Aktivitäten werden auch als Szenarios bezeichnet und umfassen zum Beispiel Im Restaurant Essen etc. Diese Dissertation widmet sich der Bereitstellung einer soliden empirischen Grundlage zur Akquisition qualitativ hochwertigen Skriptwissens. Wir betrachten drei zentrale Aspekte im Bereich der Skriptmodellierung: Akquisition ition von Skriptwissen, Skript-Induktion und Skriptidentifizierung in Text. Wir erweitern das bereits bestehende Repertoire und Skript-Datensätzen in 2 Bereichen. Erstens benutzen wir Crowdsourcing zur Erstellung eines Korpus, das 40 Szenarien mit jeweils 100 Ereignissequenzbeschreibungen (Event Sequence Descriptions, ESDs) beinhaltet, und welches somit größer als bestehende Skript- Datensätze ist. Zweitens erweitern wir das Korpus mit partiellen ESD-Alignierungen, die von Hand annotiert werden. Die partiellen Alignierungen werden dann als Vorwissen für einen halbüberwachten Algorithmus zur Skriptinduktion benutzt, der im Rahmen dieser Dissertation vorgestellt wird. Wir präsentieren außerdem einen halbüberwachten Clusteringansatz zur Induktion von Skripten, basierend auf Ereignissequenzen, die via Crowdsourcing gesammelt wurden. Hierbei werden einzelne Ereignisbeschreibungen gruppiert, um Paraphrasenmengen und der deren temporale Ordnung abzuleiten. Der vorgestellte Clusteringalgorithmus ist im Stande, Variationen in der typischen Reihenfolge in Skripte besser abzubilden und erweitert damit einen Formalismus zur Skriptrepräsentation, temporale Skriptgraphen. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass Equivalenzklassen von Beschreibungen mit "arbiträrer Reihenfolge" genutzt werden, die es erlauben, eine flexible Ereignisordnung abzubilden, die inhärent bei Skripten vorhanden ist. Im dritten Teil der vorliegenden Arbeit führen wir den Task der SzenarioIdentifikation ein, also der automatischen Identifikation von Skriptreferenzen in narrativen Texten. Wir erstellen einen Benchmark-Datensatz mit annotierten narrativen Texten, in denen einzelne Segmente im Bezug auf das Skript, welches sie instantiieren, markiert wurden. Dieser Datensatz ist der erste seiner Art. Eine Analyse der Annotation zeigt, dass Referenzen zu Szenarien im Text mit annehmbarer Akkuratheit vorhergesagt werden können. Zusätzlich stellen wir ein Benchmark-Modell vor, welches Textfragmente automatisch erstellt und deren Szenario identifiziert. Das vorgestellte Modell erreicht erfolgversprechende Resultate und öffnet damit einen Forschungszweig im Bereich des Skript-Parsens und der Skript-Akquisition im großen Stil