新任务引介 | Embodied Question Answering

导读

本次分享的论文提出了一个新的任务 Embodied Question Answering (EQA)。在这个任务里面，一个agent在三维虚拟空间中进行随机出现，然后问这个agent一个问题，agent为了回答这个问题，需要在环境中进行探索和信息整合。这个任务需要agent具有主动的认知、语言理解能力、目标驱动的探索、常识推理并将自然语言的信息整合到动作序列中。

作者简介

本篇论文的作者来自于佐治亚理工学院和Facebook的AI研究院。他们结合虚拟空间环境构造了一个新的、极具挑战性的问答系统EQA，并进行了初探性的工作，开放了数据集和基线系统的代码，以期望有更多的研究者一同为这个有趣、富有挑战性的任务做出进展性工作。 

论文作者列表：Abhishek Das, Samyak Datta, Georgia Gkioxari, Stefan Lee, Devi Parikh, Dhruv Batra. 

论文分享人：EriC. MA

CVPR 2018落幕，一系列的研究者的oral带给我们最新前沿的关注点。今天我们分享的论文是FAIR（Facebook AI Research）发表在CVPR 2018上的工作。在这个工作中，作者提出了一个崭新的问答任务Embodied Question Answering（下面称EQA），该任务是融合多模态信息，通过向agent提出文本问题，需要其在虚拟的空间环境中进行路径规划和探索，以到达目标位置并进行答案的反馈。在当前的EQA任务中，答案仍然是处于一个封闭集合中，即agent可以做出的回答是在一个封闭的答案集中进行选择，可以看作是一个分类任务，根据文本问题和环境探索后得到的信息整合，分类得到一个最为契合的答案进行输入。本篇论文的主要贡献是提出了EQA的机器学习任务；实现了了一个agent系统，可以在环境中进行探索，并回答一些问题；利用了模仿学习等方法来辅助agent进行预学习，得到了不错的效果，并对泛化性能进行了相应的探索；其在一个虚拟3D的屋子环境里进行了实验，使用的是修改后的SUNCG数据集[2]，agent在虚拟环境中进行交互，可以不用考虑安全性等一系列的问题，使得模型得到了非常大的简化；同时作者开放了EQA的数据集和虚拟平台环境，便于研究者们在这个新任务中提出自己的解决方案，也为后续继续完善这个任务提供了便利的途径。

图1给出了EQA的一个形象化的表述，在这个例子中，向agent提出的文本问题为“车是什么颜色的？”，agent经过在虚拟的环境中进行探索，当发现车子后，返回给系统“车是橘黄色的！”

图1 EQA任务举例[1]

EQA的最终目标是：agent可以理解他们所处的环境（通过视觉等感知方式），具有沟通交流的能力（例如利用自然语言的一个对话），可以采取一定的动作（例如在环境中根据问答或对话进行主动的环境探索）。下面对agent需要具有的一些能力进行具体的分析：

主动探索性: 由于agent的出现地点是在环境中随机生成的，所以agent需要进行一定的动作和移动去寻找能够回答问题的视觉信息。

常识信息推理: agent没有一个关于虚拟环境的地图，所以agent需要自行对环境进行探索。因此agent必须自行构建一个常识系统，就像人一样去比较有目的的进行探索房屋（例如一个人接收到一个问题厨具的颜色等，他会根据自己的常识经验直接前往厨房、餐厅等去查看，拿到相应的结果后再进行回答，而不会漫无目的的在房间中摸索）。

收敛性分析: 在这个EQA的任务上，难度就是agent的探索可能是很长时间都难以收敛的（比如说问题是大房子里一共有多少个小房中有椅子，这种情况下agent可能跑了很多次也不能给出完全正确的答案。此时开发者也不知道究竟是agent理解错问题了，还是没有识别出椅子，还是计数出现了错误，这就导致进行训练的时候，难度非常大），为了解决这种问题，作者提出利用模仿学习的策略给agent进行一个示范，或者是给出RL中的中途的一些引导进行前期的训练，以方便agent进行更好的学习和收敛。

在测试环节，agent是一个完全自我的系统，其无法得到关于环境的结构性表达，没有地图，没有位置信息，没有任何的启发式算法，没有外界的知识输入。其唯一可以拿到的就是模拟的摄像头采集到的RGB图像、问题文本，所使用的就是探索模型和已经训练好的QA模型。

EQA和之前的一些工作的对比：

1.VQA – 视觉问答中没有主动的动作，模型的输入只是单一图像配合文本类型的问题，模型在封闭答案集上分类选出最适合的答案，也有一些视觉问答任务是基于的生成式模型，根据图像和文本生成一段文本回答。

Video QA – 任务同VQA相似，将VQA中的单张图片的输入替换成视频（处理时往往采样为多帧的图像）即可。

Visual Dialog – 通过给模型输入单张图片和文本句子，使得模型根据给定的图片与用户进行对话的生成。 

EQA – 本篇论文的工作，给定agent一个文本问题，需要agent自行规划探索路径进行主动的在虚拟环境中进行搜索关键位置，找到符合问题的场景后，利用探索的路径过程中得到的图像信息，并最终给出答案。

总的来说，EQA比VQA更具有挑战性，因为agent在主动探索的时候，探索路径的随机性更大，较VQA更难收敛；但是其优点是可以去找到更有利于agent生成正确答案的图像信息，也能让agent在学习的过程中学习到一定的推理信息。

EQA数据集简介：

House 3D – EQA的数据集的背景原型是SUNCG数据集[2],作者对该数据集进行适当的修改调整，得到了EQA的实验数据集。在这个过程中作者主要在环境中增添了一个agent，且对这个agent所设置的限制非常少，主要是其不可穿透3D虚拟环境中的墙和一些物品，对agent的高度、重量等物理属性都没有限制。在这个环境中，作者给agent提一个问题，希望agent可以利用语言、常识、视觉的信息进行推理以及对环境的探索来解答一系列的问题。

在这个3D虚拟环境中包含12种房间类型，50种目标类型（如图2所示）。

图2 EQA数据集-虚拟环境示例[1]

a)部分环境；b)可以提问的房间种类；c)可以提问的目标种类

关于问题的建模 – 在EQA的问题设置上，拥有非常多的问题模板，在具体的给agent提出问题前，是将希望提问的模块与模板进行替换，便可以生成一系列的问题，实际实现的过程可以理解成为一个键值填充的过程，如图3所示。

图3 EQA数据集问题模板示例[1]

构造了问题模板，便可以用之前设定好的目标来填充问题模板中的对应位置；agent回答问题的时候，通过探索房间，找到对应的目标以进行相应的回答。特别的，EQA的这个数据集不是静态的数据集，可以随时通过补充一些房间、目标，甚至是增多agent的个数，这也为后续数据集的扩充奠定了基础。

EQA v1数据集 – 这个数据集大概有5000个问题，建立在750个环境上，总共有45个特殊的物体以及7个特殊的房屋类型。统计起来，一个环境大概问了6个问题，最多的一个环境问了22个问题，最少的一个环境问了1个问题。在建设问题的过程中，会注意把一些不需要探索就可以知道答案的问题进行了删减，换言之，期望数据集中的数据都是需要agent在实际的环境中进行探索才可以有效问答。作者开源了3D虚拟环境的数据集[3]以及EQA中问题产生的代码[4]。

作者在这篇论文中提出了一个解决EQA的初探性工作：利用层次化的模型来解决EQA问题。

首先agent随机在环境中生成初始位置，然后接收到一个问题，agent只能利用其唯一具有的一个RGB摄像机，然后在环境中进行相应的探索以给出答案；在EQA中，agent不会事先得到环境的任何表达，也不会有任何额外的信息。

因此对每一个agent建模可以利用的包含4个模块 - 视觉、语言、探索、回答。其在训练的过程中是接受完全自然的数据（像素和单词），然后进行一个全屋子/全环境的探索，最终给出一个视觉问答的答案。作者提出的模型架构是利用CNN、RNN模型的融合构建agent，特别的，在RNN中使用了Adaptive Computation Time（ACT） RNN [5]， 这个网络架构的特点是可以得到输入、输出之间需要多少个计算步（Computational Steps），并利用一个“挂机”(halting)层来进行反向传播。 在agent中，将有一个“规划器”来控制agent都去走哪些方向，用一个“控制器”来决定每一个方向走多远。

视觉模态信息的构建：输入是224*224的RGB图像，是摄像头从3D房间中得到的视觉信息，模型架构是按块构架，每一个块是5*5的卷积网络、ReLU激活、批正则化、2*2的最大池化，然后重复四次这种架构块，最终得到一个尺寸固定的表达。对视觉信息的要求是需要其可以得到物体的属性（颜色、纹理等）、语义信息（例如目标的种类）、环境的地理信息（例如深度等）。为了达到这个目的，作者在一个预测框架上进行了多任务的预训练，以实现编码原始的RGB值、语义类别和像素的深度信息。

语言模态信息的构建：利用2层的LSTM进行编码语言，隐层节点数为128。在具体的实现中，将语言的问题编码同探索、回答模块进行了分离，因为在问题的编码中，有很多重要的信息，需要额外提取出来，指导agent去进行后续的操作。例如当问题是“厨房里面的椅子是什么颜色？”，此时“颜色”是探索的一个重要的目标，而厨房则是会引导、限制agent去探索的路径和区域。

探索模块的构建：用ACT-RNN来作为“规划器”，规划器的动作是选择方向，还有一个“控制器”，是控制走多少步。在这个部分注意有两个变量，一个是记录目前的时间点，另一个是记录走了多少步，这两个作为一个组合会对应一个图像帧，并进行记录。“控制器”是用一个前向多层全联接网络搭建的。直观上讲，“规划器”是将agent的意图编码到一个隐状态向量h，同时伴随着选择一个动作；而“控制器”则是控制agent进行行走，直到达到“规划器”的目标。

EQA中问答系统模块的构建：当agent决定停下来，或者是走到了最大的步数的时候，agent开始进行问题的回答，而且回答问题的依据便是根据记录的一系列的图像帧。作者在这篇文章使用的问答生成时是通过选择最后五帧，然后结合问题的编码送入神经网络，最后在172种可能的回答里面进行softmax，选择出得分最高的答案进行输出。

图4 ACT模型架构图[1]

图4中的Q表示文本问题的编码向量，a_t表示t时刻agent所采取的动作（action），h_t为循环神经网络中的隐向量，PLNR为“规划器”，CTRL为“控制器”。特别需要注意的是，在图4的架构中，一系列的PLNR构建为一个循环神经网络，换言之，时间t的变化只在规划器进行动作的时候。具体实现的数据流为，问题编码和上一时刻（t-1）的动作及隐向量同时送入“规划器”，规划器输出该时刻(t)的动作（包含直线行走、转弯等），当“规划器”完成t这个时刻的动作选择后，数据流会立即流进“控制器”中，“控制器”接受当前时刻t的动作，视觉模块CNN给出的视觉特征向量，以及循环神经网络中的隐向量，并输出“控制器”的动作（延续“规划器”的动作或返回至“规划器”数据流中）。通过这样的数据流的分流，可以有效的利用“规划器”控制agent的动作序列，而利用“控制器”决定每个动作需要agent执行的次数。

模仿学习模块

训练的过程中分为两大部分，首先是利用生成的“专家数据”（或是探索的引导信息）进行模仿/监督学习，作为一个预训练的架构，再进行强化学习的策略梯度下降使得agent可以在更多的问题、环境中具有泛化性能。

独立的路径探索实现

模仿学习主要是希望agent可以利用一些专家的监督信息去学习一些探索最短路径的策略，在具体的实现的时候，是agent利用隐向量、文本问题编码以及当前的画面帧，来保持其处在最短路径上。

强化学习模块奖励的设定

作者给出了两种reward，一种是在最终的时候的通过回答问题的正确性进行给定reward，另一种是即时的奖励来帮助agent快速贴近目标。最终的reward给定的方式是如果agent回答了正确的答案并停止了给5分，其他情况给0分；关于即时的奖励是给动作的，即直走的动作时，给定的reward是用0.005 * 距离目标的位置变化（agent采取转向动作时没有奖励）。训练的方式是REINFORCE 策略梯度。训练的一些细节：所有的LSTM都是两层的堆叠架构，隐层有128维。向前走的动作每次最多是0.25m，转向每次转9度，即转向40次才能转360度。

EQA的目标是可以准确的回答问题。实验对比结果如图5所示。

图5 EQA 实验结果对比[1]

作者构建了一些EQA的评测指标： 

：agent终止时距离目标的距离；

：agent距离目标位置的变化（从起始位置到终止位置）；

：agent距离目标物最近的距离；

 ：agent最终停留在目标物所在房间的百分比； 

：agent进入目标物所在房间的百分比；

 ：agent在达到最大的探索长度前停止探索并问答问题的百分比；

MR：agent对答案集中的答案进行按分数排序后的平均排序分。

实验对比系统的比较：

Reactive CNN : 利用最后看到的几帧来预测接下来的动作，这样的模型不是针对最后的目标去进行学习的，这个模型学习的任务就是简单记忆画面帧，然后希望从训练集的环境中泛化到测试集上。

Reactive CNN+Question: 这个模型是将画面帧同问题的编码联合起来预测接下来的动作，其目标是一个问题的编码而不是一个目标的图像。

在这两个模型中，agent的动作空间是{向前、左转、右转}，其没有停止的动作，在具体的测试的时候，就是走一个最大的步长限制后停止。

LSTM+Question: 上述的Reactive模型没有记忆信息，而这一个模型是利用问题的编码，当前帧，之前的动作共同来预测接下来的动作。这些同ACT（作者提出的模型）是相同的，与这个模型比较的原因是作者探索其提出的规划器-控制器（planner-controller）架构的有效性。

HumanNav： AMT工人（亚马逊众包）远程操作agent进行任务的完成。

ShortestPaths + VQA: 利用VQA模型，在测试的时候，直接给它最短路径让agent沿最短路径到达目标物处。

几点实验结论分析：

1）所有的baseline的探索效果都非常差，主要表现在agent停止时，其距离目标的位置比出现在环境时还要远；

2）记忆模块可以帮助提高性能。一开始出现在环境时基本都是距离终点差不多远，而具有记忆模块的系统可以在最终的时候距离目标终点更近；

3）ACT的系统效果最好。利用Q-问题编码结合作者提出的系统可以在停机的时候距离目标位置最近，而Q问题编码+强化学习+作者的系统，达到了最好的回答效果；

4） 利用RL的模型，会让agent更多的进入目标物所在的房间，但是距离目标物的距离不能保证达到最小，这主要是因为RL具有更大的探索可能性，但是这样个缺点并没有影响agent回答问题的精度；

5）最短路径+VQA的系统没有达到非常好的效果，主要是因为agent根据最短路径走以后，到达终点时，其不一定正好面朝着目标物或可能视野有一定的限制，这导致了agent在回答问题时可能存在障碍。

总的来说，FAIR提出的这个新任务虽然目前回答的问题还比较简单（主要是某一个房间里具有什么目标，某些目标的颜色是什么等），但是EQA需要agent具有更多的操作和表现（需要有视觉、语言两种模态信息的处理，同时需要对路径进行规划，对环境进行探索，并最终得到答案的得分），涉及到多模态信息的融合、处理，虽然是一个初探性的任务和工作，但确实是一个极具挑战性和有趣的任务。另外，利用这样的虚拟环境，让agent具有真正去交互的环境，随着训练的深入，可以帮助agent自发性的学习到一些常识性的知识（例如厨具多在厨房里，车子多在车库里，浴缸多在洗手间中），这对后续的通用人工智能的研究和发展未尝不是一个崭新的尝试！

主要参考文献：

[1] A. Das, S. Datta, G. Gkioxari, S. Lee, D. Parikh, and D. Ba- tra. Embodied Question Answering. In Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recogni- tion (CVPR), 2018.

[2] S. Song, F. Yu, A. Zeng, A. X. Chang, M. Savva, and
T. Funkhouser, “Semantic scene completion from a single
depth image,” in CVPR, 2017. 2, 4

[3] https://github.com/abhshkdz/House3D/tree/0bbba101a997908df16eee02936a0b539adeb0c2

[4] https://github.com/facebookresearch/EmbodiedQA/tree/master/data/question-gen/data

[5] A. Graves, “Adaptive computation time for recurrent neural networks,” CoRR, vol. abs/1603.08983, 2016.

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