STNet: Selective Tuning of Convolutional Networks for Object Localization

Visual attention modeling has recently gained momentum in developing visual hierarchies provided by Convolutional Neural Networks. Despite recent successes of feedforward processing on the abstraction of concepts form raw images, the inherent nature of feedback processing has remained computationally controversial. Inspired by the computational models of covert visual attention, we propose the Selective Tuning of Convolutional Networks (STNet). It is composed of both streams of Bottom-Up and Top-Down information processing to selectively tune the visual representation of Convolutional networks. We experimentally evaluate the performance of STNet for the weakly-supervised localization task on the ImageNet benchmark dataset. We demonstrate that STNet not only successfully surpasses the state-of-the-art results but also generates attention-driven class hypothesis maps

Simulating Human Gaze with Neural Visual Attention

Existing models of human visual attention are generally unable to incorporate direct task guidance and therefore cannot model an intent or goal when exploring a scene. To integrate guidance of any downstream visual task into attention modeling, we propose the Neural Visual Attention (NeVA) algorithm. To this end, we impose to neural networks the biological constraint of foveated vision and train an attention mechanism to generate visual explorations that maximize the performance with respect to the downstream task. We observe that biologically constrained neural networks generate human-like scanpaths without being trained for this objective. Extensive experiments on three common benchmark datasets show that our method outperforms state-of-the-art unsupervised human attention models in generating human-like scanpaths

Multimodal Compact Bilinear Pooling for Visual Question Answering and Visual Grounding

Modeling textual or visual information with vector representations trained from large language or visual datasets has been successfully explored in recent years. However, tasks such as visual question answering require combining these vector representations with each other. Approaches to multimodal pooling include element-wise product or sum, as well as concatenation of the visual and textual representations. We hypothesize that these methods are not as expressive as an outer product of the visual and textual vectors. As the outer product is typically infeasible due to its high dimensionality, we instead propose utilizing Multimodal Compact Bilinear pooling (MCB) to efficiently and expressively combine multimodal features. We extensively evaluate MCB on the visual question answering and grounding tasks. We consistently show the benefit of MCB over ablations without MCB. For visual question answering, we present an architecture which uses MCB twice, once for predicting attention over spatial features and again to combine the attended representation with the question representation. This model outperforms the state-of-the-art on the Visual7W dataset and the VQA challenge.Comment: Accepted to EMNLP 201

Visual attention in primates and for machines - neuronal mechanisms

Visual attention is an important cognitive concept for the daily life of humans, but still not fully understood. Due to this, it is also rarely utilized in computer vision systems. However, understanding visual attention is challenging as it has many and seemingly-different aspects, both at neuronal and behavioral level. Thus, it is very hard to give a uniform explanation of visual attention that can account for all aspects. To tackle this problem, this thesis has the goal to identify a common set of neuronal mechanisms, which underlie both neuronal and behavioral aspects. The mechanisms are simulated by neuro-computational models, thus, resulting in a single modeling approach to explain a wide range of phenomena at once. In the thesis, the chosen aspects are multiple neurophysiological effects, real-world object localization, and a visual masking paradigm (OSM). In each of the considered fields, the work also advances the current state-of-the-art to better understand this aspect of attention itself. The three chosen aspects highlight that the approach can account for crucial neurophysiological, functional, and behavioral properties, thus the mechanisms might constitute the general neuronal substrate of visual attention in the cortex. As outlook, our work provides for computer vision a deeper understanding and a concrete prototype of attention to incorporate this crucial aspect of human perception in future systems.:1. General introduction 2. The state-of-the-art in modeling visual attention 3. Microcircuit model of attention 4. Object localization with a model of visual attention 5. Object substitution masking 6. General conclusionVisuelle Aufmerksamkeit ist ein wichtiges kognitives Konzept für das tägliche Leben des Menschen. Es ist aber immer noch nicht komplett verstanden, so dass es ein langjähriges Ziel der Neurowissenschaften ist, das Phänomen grundlegend zu durchdringen. Gleichzeitig wird es aufgrund des mangelnden Verständnisses nur selten in maschinellen Sehsystemen in der Informatik eingesetzt. Das Verständnis von visueller Aufmerksamkeit ist jedoch eine komplexe Herausforderung, da Aufmerksamkeit äußerst vielfältige und scheinbar unterschiedliche Aspekte besitzt. Sie verändert multipel sowohl die neuronalen Feuerraten als auch das menschliche Verhalten. Daher ist es sehr schwierig, eine einheitliche Erklärung von visueller Aufmerksamkeit zu finden, welche für alle Aspekte gleichermaßen gilt. Um dieses Problem anzugehen, hat diese Arbeit das Ziel, einen gemeinsamen Satz neuronaler Mechanismen zu identifizieren, welche sowohl den neuronalen als auch den verhaltenstechnischen Aspekten zugrunde liegen. Die Mechanismen werden in neuro-computationalen Modellen simuliert, wodurch ein einzelnes Modellierungsframework entsteht, welches zum ersten Mal viele und verschiedenste Phänomene von visueller Aufmerksamkeit auf einmal erklären kann. Als Aspekte wurden in dieser Dissertation multiple neurophysiologische Effekte, Realwelt Objektlokalisation und ein visuelles Maskierungsparadigma (OSM) gewählt. In jedem dieser betrachteten Felder wird gleichzeitig der State-of-the-Art verbessert, um auch diesen Teilbereich von Aufmerksamkeit selbst besser zu verstehen. Die drei gewählten Gebiete zeigen, dass der Ansatz grundlegende neurophysiologische, funktionale und verhaltensbezogene Eigenschaften von visueller Aufmerksamkeit erklären kann. Da die gefundenen Mechanismen somit ausreichend sind, das Phänomen so umfassend zu erklären, könnten die Mechanismen vielleicht sogar das essentielle neuronale Substrat von visueller Aufmerksamkeit im Cortex darstellen. Für die Informatik stellt die Arbeit damit ein tiefergehendes Verständnis von visueller Aufmerksamkeit dar. Darüber hinaus liefert das Framework mit seinen neuronalen Mechanismen sogar eine Referenzimplementierung um Aufmerksamkeit in zukünftige Systeme integrieren zu können. Aufmerksamkeit könnte laut der vorliegenden Forschung sehr nützlich für diese sein, da es im Gehirn eine Aufgabenspezifische Optimierung des visuellen Systems bereitstellt. Dieser Aspekt menschlicher Wahrnehmung fehlt meist in den aktuellen, starken Computervisionssystemen, so dass eine Integration in aktuelle Systeme deren Leistung sprunghaft erhöhen und eine neue Klasse definieren dürfte.:1. General introduction 2. The state-of-the-art in modeling visual attention 3. Microcircuit model of attention 4. Object localization with a model of visual attention 5. Object substitution masking 6. General conclusio