CV-Reading Describing Objects by their Attributes 山内悠嗣

はじめに ٥Describing Objects by their Attributes ٥Ali Farhadi ٥Ian Endres ٥Derek Hoiem ٥Photo Pop-up, Objects in Perspective ٥David Forsyth ٥Image annotation, Understanding Human Activity ٥ コンピュータビジョンの筆者

この物体は何か

わからない ٥4 本の脚がある ٥ 毛に覆われている ٥2 本の角がある

わからない ٥4 本の脚がある ٥ 毛に覆われている ٥2 本の角がある 属性 (attribute) カテゴリの認識よりも，属性の識別をメインとした手法

応用先

提案手法

意味のある属性 ٥3 種類の属性に分類 ٥ パーツ ٥ 目，角，車輪，窓， … ٥ 形状 ٥ 四角形，三角形，円形，水平，垂直， … ٥ 物質 ٥ 金属，木材，布， …

属性の例 形状 : 垂直の円筒形状 パーツ : 翼, プロペラ, 窓, 車輪 材質 : 金属，ガラス 形状 : パーツ : 窓，車輪，ドア，ヘッドラ イト 材質 : 金属，光沢がある

基本特徴量 ٥Bag of Words のアプローチが基本 ٥ ベクトル量子化後にベクトル量子化ヒストグラムを作成 ٥ パーツ： Visual Word ٥ 多重解像度画像から HOG 特徴量を抽出 ٥K-means により 1,000 クラスタにベクトル量子化 ٥ 形状：エッジ ٥ 各ピクセルに対して勾配強度と方向を算出し， 8 方向にベクトル量子 化 ٥ 材質：テクスチャ，カラー ٥Texton 特徴量 ٥LAB 色空間に変換し， k-means により 128 クラスタにベクトル量子化 入力画像を 2×3 に分割し，各領域ごとにベクトル量子化ヒストグラムを作成

データセット ٥ 用意するデータ ٥ 画像 ٥ 対象物体を囲う矩形 ٥ 属性 ٥ 作成したデータセット ٥a-Pascal ： PASCAL2008 から主要な 20 カテゴリを使用 ٥people, bird, cat, cow, dog, horse, sheep aeroplane, bicycle, boat, bus, car, motorbike,train, bottle, chair, dining table, potted plant, sofa, and tv/monitor. ٥a-Yahoo ： Yahoo 画像検索より 12 カテゴリを収集 ٥wolf, zebra, goat, donkey, monkey, statue of people, centaur, bag, building, jet ski, carriage, and mug..

属性の付加 ٥Amazon Mechanical Turk ٥ 依頼主がコンピュータ処理できない仕事，人間が向いている仕事を 小額の報酬と共に Web 上に依頼し，人間が仕事を行うシステム

属性の学習 ٥ 最もシンプルな学習方法 ٥ 属性 1 個に対して，全ての基本特徴量を用いて学習 “ 車輪 ” がある “ 車輪 ” がない

問題点 ٥ 属性間の関係性が強い ٥ 多くのサンプルは， “ 車輪 ” の周りに “ 金属 ” が存在 “ 車輪 ” 識別器を学習したいが， “ 金属 ” 識別器になる可能性がある ( “ 車輪 ” を捉える特徴量よりも， “ 金属 ” を捉える特徴量の方が良い場合に発生 )

問題点 ٥ 属性間の関係性が強い ٥ 多くのサンプルは， “ 車輪 ” の周りに “ 金属 ” が存在 “ 車輪 ” 識別器を学習したいが， “ 金属 ” 識別器になる可能性がある ( “ 車輪 ” を捉える特徴量よりも， “ 金属 ” を捉える特徴量の方が良い場合に発生 )

問題点 ٥ 属性間の関係性が強い ٥ 多くのサンプルは， “ 車輪 ” の周りに “ 金属 ” が存在 “ 車輪 ” 識別器を学習したいが， “ 金属 ” 識別器になる可能性がある ( “ 車輪 ” を捉える特徴量よりも， “ 金属 ” を捉える特徴量の方が良い場合に発生 ) “ 金属 ” がない “ 車輪 ” がない

問題点 ٥ 属性間の関係性が強い ٥ 多くのサンプルは， “ 車輪 ” の周りに “ 金属 ” が存在 “ 車輪 ” 識別器を学習したいが， “ 金属 ” 識別器になる可能性がある ( “ 車輪 ” を捉える特徴量よりも， “ 金属 ” を捉える特徴量の方が良い場合に発生 ) “ 金属 ” がない “ 車輪 ” がない 属性の誤識別 = カテゴリ分類が困難

誤識別する属性を用いたカテゴリ認識 例 ٥ 車，バイク，バス，電車のカテゴリ分類 ٥“ 車輪 ” があり， “ 金属 ” に覆われている ٥ 車，バイク，バス ٥“ 車輪 ” がなく， “ 金属 ” に覆われている ٥ 電車 “ 車輪 ” という属性は，車，バイク，バスと電車を区別不可 能 “ 車輪 ” という属性は，車，バイク，バスと電車を区別不可 能 ٥ 入力は画像と物体を囲う矩形 ٥ セグメンテーションされていない

相関関係の影響を受けない学習 ٥1 クラスに着目した学習 ٥1 つのクラスにおける “ 車輪 ” のあるサンプルと “ 車輪 ” のないサンプルを 使用 ٥L1-norm を用いたロジスティック回帰による識別 1) を利用した特徴選択 “ 車輪 ” あり “ 車輪 ” なし vs. 車両における “ 車輪 ” 識別器の特徴量 ボートにおける “ 車輪 ” 識別器の特徴量 飛行機における “ 車輪 ” 識別器の特徴量 全てのカテゴリにおける “ 車輪 ” 識別器の特徴量 1) Andrew Y. Ng, ``Feature selection, l1 vs. l2 regularization, and rotational invariance'‘, ICML, 2004

相関関係の影響を受けない学習 ٥1 クラスに着目した学習 ٥1 つのクラスにおける “ 車輪 ” のあるサンプルと “ 車輪 ” のないサンプルを 使用 ٥L1-norm を用いたロジスティック回帰による識別 1) を利用した特徴選択 “ 車輪 ” あり “ 車輪 ” なし vs. 車両における “ 車輪 ” 識別器の特徴量 ボートにおける “ 車輪 ” 識別器の特徴量 飛行機における “ 車輪 ” 識別器の特徴量 全てのカテゴリにおける “ 車輪 ” 識別器の特徴量 SVM 1) Andrew Y. Ng, ``Feature selection, l1 vs. l2 regularization, and rotational invariance'‘, ICML, 2004

2 手法における相関関係の比較 ٥“ 車輪 ” と “ 金属 ” の相関 ٥a-Pascal ， a-Yahoo の正解ラベルを使用 ٥a-Pascal ： 0.71 ٥a-Yahoo ： 0.17 ٥ 全特徴量を使用する手法と特徴選択する提案手法の比較 ٥ 学習は a-Pascal ，評価は a-Yahoo ٥ 識別結果の属性を用いた相関値を比較 ٥ 全特徴量： 0.56 ٥ 特徴選択： 0.28

評価実験 ٥ 属性の識別実験 ٥ 珍しい属性識別パターンの識別結果 ٥ 対象カテゴリにあるはずの属性 ٥ 対象カテゴリにないはずの属性 ٥ 上記の結果を用いた属性のローカライズ ٥ カテゴリ認識への応用 ٥ 属性を用いたカテゴリ認識 ٥ 少ない学習サンプルによる学習とその結果 ٥ 記述された属性のみを用いたカテゴリ認識

属性の識別結果

3 種類に分類した属性の識別結果 パーツ材質形状 a-Pascal a-Yahoo

属性識別結果の例 1

属性識別結果の例 2

評価実験 ٥ 属性の識別実験 ٥ 珍しい属性識別パターンの識別結果 ٥ 対象カテゴリにあるはずの属性 ٥ 対象カテゴリにないはずの属性 ٥ 上記の結果を用いた属性のローカライズ ٥ カテゴリ認識への応用 ٥ 属性を用いたカテゴリ認識 ٥ 少ない学習サンプルによる学習とその結果 ٥ 記述された属性のみを用いたカテゴリ認識

珍しい属性識別パターンの識別結果 ٥ カテゴリと属性は強い相関 ٥ あるはずの属性が無い場合 ٥ ないはずの属性がある場合 珍しい属性として識別し，出力することが可能

存在するはずの属性がないとして出 力

存在しないはずの属性がないとして出 力

属性識別結果の応用 ٥ 鳥と “ 葉 ” の関係 ٥ 鳥そのものには “ 葉 ” という属性は付加されない 鳥が “ 葉 ” の近くにいる 属性のローカライズが可能

属性のローカライズ

珍しい属性のローカライズ

評価実験 ٥ 属性の識別実験 ٥ 珍しい属性識別パターンの識別結果 ٥ 対象カテゴリにあるはずの属性 ٥ 対象カテゴリにないはずの属性 ٥ 上記の結果を用いた属性のローカライズ ٥ カテゴリ認識への応用 ٥ 属性を用いたカテゴリ認識 ٥ 少ない学習サンプルによる学習とその結果 ٥ 記述された属性のみを用いたカテゴリ認識

カテゴリ認識の流れ 属性

カテゴリ認識 ٥ 識別した属性を特徴量として学習に利用 ٥SVM もしくはロジスティック回帰により学習 (1 対多 ) ٥ 識別結果 ٥ ほぼ同等 ( ただし，属性を使用する手法は物体を囲う矩形も入力 ) ٥ 結果の傾向 ٥ 提案手法が得意：バイクと人 ٥ 提案手法が苦手：ソファと椅子 PASCAL 2008 基本特徴量意味ある 属性 全属性 クラス毎の識別精度の平均 58.5%54.6%59.4% サンプル毎の識別精度の平均 35.5%28.4%37.7%

少数サンプルと属性 ٥ サンプルが少ない学習 ٥ 判別モデル (SVM) → 生成モデル ( ニアレストネイバー (NN))

おわりに ٥ 物体の属性を識別とその応用法を提案 ٥ 属性を識別する手法自体はシンプル ٥ 特徴量 → 認識の中間表現として属性を利用 ٥ 他にも多数の応用先がある

認知額からの観点 ٥ 人間の記憶 ٥ 人間の記憶は長期記憶と短期記憶に分類 ٥ 長期記憶にはエピソード記憶と意味記憶に分類 ٥ エピソード記憶：経験したエピソードに関する記憶 ٥ 意味記憶：文脈が特定できない記憶，知識 ٥ 意味を記憶する辞書：心内辞書 ٥ 意味の検索：意味記憶階層ネットワークモデル [1969 Collins A.]

意味記憶の階層ネットワークモデル ٥ カテゴリと意味の検索にされている可能性がある ٥ 属性からカテゴリの検索 もしくは カテゴリから属性の検索 ٥ 離れるほど検索に時間が必要であることが実験により証明

認知額からの観点 ٥ 人間の記憶 ٥ 人間の記憶は長期記憶と短期記憶に分類 ٥ 長期記憶にはエピソード記憶と意味記憶に分類 ٥ エピソード記憶：経験したエピソードに関する記憶 ٥ 意味記憶：文脈が特定できない記憶，知識 ٥ 意味を記憶する辞書：心内辞書 ٥ 意味の検索：意味記憶階層ネットワークモデル 視覚情報カテゴリ 意味 ( 属性 ) 視覚情報カテゴリ 単純な特徴量 複合的な特徴量 視覚情報カテゴリ複合的な特徴量単純な特徴量 単純な特徴量

意味記憶階層ネットワークモデルに基づくカテゴリ認 識 ٥ カテゴリと意味 ( 属性 ) の階層ネットワークの構築 ٥ 自動構築： ٥ 追加サンプルによる再構築：人間と同じように対話型 ٥ 進化 ( 最適化 ) ： GA ٥ 意味記憶階層ネットワークモデルを用いたカテゴリ認識 ( 検 索 ) ٥ 意味という中間表現方法に適した認識 ( 検索 ) 方法 ٥ 大量カテゴリの認識 ٥ 従来の方法では表現不可能 ( メモリの使用量の点において )