Image_Captioning 看图说话
这是一个神经网络项目，期望实现看图说话功能，即给定一张图片，神经网络能够生成一段文字来描述图片内容，讲述图片中的故事。这个项目以LSTM和CNN为基础，并且使用VGG16模型来提取图片特征。
本项目基于keras编写，上手简单，支持GPU加速。
看图说话是典型的端到端学习，输入端为图片特征（Step3中会详细讲解），期望得到的输出则是图片对应的内容描述。所以要求数据集中既包含图片，又包含对应的描述用于训练。该项目数据集来自Flickr8k_Dataset，读者可以在kaggle搜索下载：Kaggle_Flickr8k。
本项目主要包含四个部分：
- 1.使用VGG16提取图片特征并保存为文件；
- 2.预处理数据集中的描述文本并保存为文件；
- 3.构建模型并训练；
- 4.评估模型并为图片生成描述。
Step1 提取图片特征
本项目使用预先训练好的VGG16来提取图片特征。为了适配该项目，至少要注意两点面：1.要对图片做预处理，包括图片缩放、增维和去均值化；2.去掉VGG16的最后一层（1000的全连接层和softmax激活层），使输出为一个1维的长度为4096的向量。
提取到的特征可以用字典形式储存。当目标文件夹中的所有图片都完成了特征提取操作之后，结果将被保存为.pkl文件，以方便后续调用。
除了使用VGG16，读者还可以尝试使用其他的预训练网络进行尝试，比如ResNet50等。
Step2 描述文本预处理
Flickr8k_Dataset数据集中包含图片名和对应的描述文本，用空格分割，以.txt形式保存。其中，一张图片有5段不同文字描述。
1000268201_693b08cb0e.jpg#0 A child in a pink dress is climbing up a set of stairs in an entry way .
1000268201_693b08cb0e.jpg#1 A girl going into a wooden building .
1000268201_693b08cb0e.jpg#2 A little girl climbing into a wooden playhouse .
1000268201_693b08cb0e.jpg#3 A little girl climbing the stairs to her playhouse .
1000268201_693b08cb0e.jpg#4 A little girl in a pink dress going into a wooden cabin .
1001773457_577c3a7d70.jpg#0 A black dog and a spotted dog are fighting
1001773457_577c3a7d70.jpg#1 A black dog and a tri-colored dog playing with each other on the road .
1001773457_577c3a7d70.jpg#2 A black dog and a white dog with brown spots are staring at each other in the street .
...
预处理工作需要去除图片名称尾缀，并且清洗描述文本，比如将拼写转为小写，去除停顿词、数字、单个字母等。
1000268201_693b08cb0e child in pink dress is climbing up set of stairs in an entry way
1000268201_693b08cb0e girl going into wooden building
1000268201_693b08cb0e little girl climbing into wooden playhouse
1000268201_693b08cb0e little girl climbing the stairs to her playhouse
1000268201_693b08cb0e little girl in pink dress going into wooden cabin
1001773457_577c3a7d70 black dog and spotted dog are fighting
1001773457_577c3a7d70 black dog and tricolored dog playing with each other on the road
1001773457_577c3a7d70 black dog and white dog with brown spots are staring at each other in the street
...
处理好的文本同样使用.txt文件形式保存，方便后续调用。
Step3 构建模型并训练
网络包含两部分输入：图片特征和描述文本（单词串）。
你可能难以理解为什么要将描述文本作为输入的一部分，为什么不直接把图片特征作为X_train，图片描述作为y_train。原因是这样预测效果并不好。描述文本中的单词包含着内在的先后顺序，但是图片特征不包含。要想让神经网络看到图片“说人话”，还得考虑使用LSTM处理一下描述文本，加入训练。那么图片描述是不是既要作为X_train又要作为y_train呢？这需要你先了解LSTM的工作原理。
通常来说，LSTM的输入不能为空，且在获取输入之后，每一次都只输出一个单词。为了让输入不为空，考虑在文本首端添加标识符“startseq”，为了使LSTM在适当的时侯停止输出，输入的描述文本需要添加尾端标识符“endseq”。为了让神经网络习得语言顺序，需要构建上下文结构，即拆分句子。不算首尾标识符，一段包含n个单词的句子需要构建n+1对上下文结构，如下表所示。
任何一段句子，其第一个输入词一定是“startseq”，再陆续输入每个单词。上述句子“a cat sits on the table”，按照上下文规则分别进行了7次输入和输出，最后一次的输出为“endseq”。这样不会造成数据泄露，出现在输入中的词汇一定是在输出端作为标签先出现的。比如“startseq a cat sits”这段输入中的“sits”这个单词，上一轮的output中已经作为y_train出现过了。
上述部分是为了解释了为什么将描述文本作为输入。下面讲解如何合并图片特征和图片描述。先来看一下网络结构，如下图所示。
输入的左支（input_2）为描述文本，输入长度为34，因为最长的句子包含了34个单词，而不足34词的句子可以补零，所以统一长度为34。输入的右支（input_1）为图片特征，由VGG16提取得到，长度为4096。为了融合两支，需要先统一输入的长度。左支采用嵌入层加LSTM方法：先对输入词做增维，再输入到LSTM，使输出长度为256，其中还使用了Droupout方法避免过拟合。右支使用全连接层直接将输出长度减少到256，同样使用了Droupout方法避免过拟合。这样两支的输出可以直接使用add相加，再做后续操作。读者们可以根据实际情况，自行设计规模更大、参数更多，结构更复杂的模型。
实际训练中，需要加载大量数据，为了减少内存开销，本项目采取逐步加载训练数据的方法。如果读者的计算机有32GB及以上的内存，可以考虑将代码改写为一次性读入所有数据，这样可以大幅提升训练速度减少训练时间。
模型的训练结果以.h5文件形式保存，方便后续调用。
Step4.评估模型并为图片生成描述
常规的评价模型性能的方法很多，对于语言模型，常用的评估方法为BLEU。BLEU是一个非常简单快速粗略的评估指标, 最初被用于评价机器翻译效果，当面对多个翻译模型且需要快速选择模型的场景, 可以使用这个指标来评估模型的好坏。BLEU的本质是计算两段的相似程度，可以用来评估看图说话模型的好坏。其评价值介于0到1之间，值越接近于1则两个句子越相似。
另一种评估方法是对一张图片生成一段描述，让读者主观的判断生成的句子是否合理。
比如对于下图：
模型的输出为：“dog is running through the water”。
你觉得怎么样呢？