Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khả năng quan sát và diễn giải thế giới xung quanh bằng ngôn ngữ tự nhiên là một đặc trưng nổi bật của nhận thức con người. Trong bối cảnh cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0 và sự phát triển mạnh mẽ của Học sâu (Deep Learning) cùng Trí tuệ nhân tạo (AI), bài toán Phát sinh mô tả cho ảnh (Image Captioning) đã trở thành một hướng nghiên cứu then chốt, giao thoa giữa Thị giác máy tính (Computer Vision) và Xử lý ngôn ngữ tự nhiên (Natural Language Processing). Bài toán yêu cầu máy tính tiếp nhận đầu vào là một hình ảnh bất kỳ và tự động xuất ra một câu mô tả chính xác nội dung ngữ nghĩa bằng văn bản.

Trong thực tiễn, công nghệ này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng lớn:

  • Thương mại điện tử: Hỗ trợ các sàn giao dịch như Asos, eBay, Alibaba tự động phân tích hình ảnh sản phẩm, nhận diện thương hiệu, kiểu dáng, màu sắc để gán nhãn, phân loại và đề xuất sản phẩm tối ưu cho người mua.
  • Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị: Tích hợp vào các thiết bị đeo thông minh (tiêu biểu như hệ thống của Horus Technology trang bị vi xử lý GPU Nvidia Tegra, camera và loa hai bên tai) giúp đọc văn bản, nhận diện biển báo, cảnh báo khoảng cách vật cản và mô tả chi tiết quang cảnh xung quanh.
  • Dịch vụ mạng xã hội chia sẻ: Tự động tạo văn bản thay thế (tiêu biểu như tính năng Automatic Alt Text - AAT của Facebook) để hỗ trợ tìm kiếm ảnh và phục vụ người dùng suy giảm thị lực thông qua công cụ đọc màn hình.
  • Đảm bảo an ninh: Tự động tóm tắt diễn biến từ hệ thống camera giám sát công cộng (phát hiện vũ khí, nhận diện khuôn mặt) thành dạng văn bản, giúp tiết kiệm dung lượng lưu trữ và hỗ trợ phản ứng kịp thời trước các mối nguy hại.

Tuy nhiên, bài toán phát sinh mô tả ảnh vẫn đối mặt với các thách thức lớn:

  • Tính tổng quát hóa: Các mô hình học sâu dễ rơi vào tình trạng quá khớp (overfitting), hoạt động tốt trên các ngữ cảnh phổ biến (xe ô tô trên đường) nhưng suy giảm chất lượng khi gặp bối cảnh bất thường (xe ô tô nổi trên mặt nước).
  • Mức độ tự nhiên của câu mô tả: Các mô hình truyền thống thường dự đoán từ tuần tự nối tiếp nhau, dễ dẫn đến câu văn đúng ngữ pháp nhưng thiếu sự gắn kết logic về mặt ngữ nghĩa toàn cục.
  • Thiếu hụt dữ liệu phi tiếng Anh: Đa số các nghiên cứu tập trung vào tiếng Anh; việc dịch tự động bằng máy (như Google Translate) thường tạo ra các câu văn ngô nghê, sai cấu trúc cú pháp và không phù hợp với văn phong bản địa.

Nhằm giải quyết những thách thức trên cho tiếng Việt, khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về bài toán Image Captioning và các phương pháp đạt hiệu quả cao trên thế giới.
  2. Tìm hiểu, đánh giá các nghiên cứu và mô hình học sâu liên quan.
  3. Xây dựng một bộ dữ liệu tiếng Việt chuyên dụng cho bài toán Image Captioning với các câu mô tả được biên soạn thủ công.
  4. Thực nghiệm, so sánh và đánh giá các phương pháp trên bộ dữ liệu tiếng Việt được biên soạn thủ công đối chiếu với bộ dữ liệu dịch tự động bằng máy.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hình ảnh và các câu mô tả ngữ nghĩa tương ứng bằng tiếng Việt.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các phương pháp Image Captioning dựa trên học sâu (mô hình CNN-RNN, Show, Attend and Tell, ClipCap) và hiệu suất thực nghiệm của chúng trên tập dữ liệu hình ảnh giao thông (tập trung vào đèn tín hiệu giao thông) được trích xuất từ tập dữ liệu MS COCO.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận tiếp cận bài toán phát sinh mô tả cho ảnh dưới dạng bài toán chuỗi-sang-chuỗi (Sequence-to-Sequence), trong đó dữ liệu hình ảnh và ngôn ngữ được xử lý lần lượt dưới dạng chuỗi điểm ảnh (pixel) và chuỗi từ ngữ.

Khung lý thuyết và mô hình nghiên cứu

  • Mô hình CNN-RNN (Karpathy et al., 2015): Sử dụng Regional CNN kết hợp mạng CNN tiền huấn luyện trên ImageNet để trích xuất đặc trưng vùng ảnh, kết hợp với mạng giải mã RNN hoặc Bidirectional RNN. Mối tương quan giữa vùng ảnh và chuỗi từ được tính toán qua hàm liên kết: $$S_{kl} = \sum_{t \in S_l} \max_{i \in g_k} (0, v_i^T s_t)$$ Trạng thái ẩn $h_t$ và đầu ra $y_t$ được cập nhật theo công thức: $$h_0 = W_{ih}[CNN_{\theta_c}(I)]$$ $$h_t = f(W_{xh}x_t + W_{hh}h_{t-1} + b_h + \mathbb{I}(t=1) \odot h_0)$$ $$y_t = \text{softmax}(W_{hy}h_t + b_y)$$
  • Mô hình Reflective Decoding Network (RDN, 2019): Sử dụng bộ mã hóa Faster R-CNN trích xuất $k$ vùng đặc trưng $R_I = {r_i}_{i=1}^k$ ($r_i \in \mathbb{R}^D$) kết hợp bộ giải mã ba thành phần:
    • Attention-based Recurrent Module: Gồm lớp LSTM thứ nhất và khối Visual Attention $\text{Att}{vis}$ tính toán trọng số chú ý $\alpha{ti}^{vis}$ trên các vùng ảnh.
    • Reflective Attention Module: Gồm lớp LSTM thứ hai và khối $\text{Att}{ref}$ tính toán trọng số $\alpha{ti}^{ref}$ mô hình hóa trạng thái ẩn quá khứ nhằm lưu giữ sự phụ thuộc từ vựng lịch sử.
    • Reflective Position Module: Hướng dẫn giải mã vị trí tương đối và cấu trúc ngữ pháp cú pháp của câu.
  • Mô hình DenseCap (2016): Bài toán phát sinh mô tả dày đặc (Dense Captioning) sử dụng kiến trúc Fully Convolutional Localization Network (FCLN) gồm mạng tích chập VGG-16 (13 lớp tích chập, 5 lớp max pooling), tầng Localization Layer với phép nội suy song tuyến tính (Bilinear Interpolation) trích xuất $B$ vùng ảnh và mạng LSTM tuần hoàn phát sinh câu mô tả cho từng vùng.
  • Mô hình Show, Attend and Tell: Áp dụng cơ chế tập trung (Attention Mechanism) lên các vùng không gian đặc trưng của ảnh để dẫn đường cho bộ giải mã phát sinh từ ngữ.
  • Mô hình ClipCap: Tận dụng không gian nhúng biểu diễn đa phương thức của mô hình tiền huấn luyện CLIP để ánh xạ đặc trưng thị giác sang mô hình ngôn ngữ giải mã.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Thu thập dữ liệu: Lọc và trích xuất 3.066 hình ảnh chứa nhãn "traffic light" (đèn giao thông) từ tập dữ liệu quốc tế MS COCO.
  • Phát triển công cụ gán nhãn: Xây dựng ứng dụng trên trình duyệt web có giao diện hiển thị ảnh, 5 câu mô tả tiếng Anh gợi ý, 5 ô nhập liệu tiếng Việt, tích hợp cơ chế kiểm tra tự động ràng buộc độ dài câu và cung cấp đường dẫn ảnh dự phòng.
  • Chuẩn hóa gán nhãn: Biên soạn thủ công 5 câu mô tả tiếng Việt cho mỗi bức ảnh theo bộ 9 quy tắc kiểm soát nội dung; đồng thời tạo tập dữ liệu dịch máy tự động qua Google Translate để làm tập đối chứng.
  • Thực nghiệm và đánh giá: Huấn luyện, kiểm thử và so sánh định lượng các mô hình học sâu trên hai bộ dữ liệu (biên soạn thủ công và dịch máy).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu định nghĩa bài toán Phát sinh mô tả cho ảnh (Input: ảnh $A$ bất kỳ; Output: câu mô tả văn bản tiếng Việt). Tác giả phân tích 4 lĩnh vực ứng dụng thực tiễn điển hình (thương mại điện tử, thiết bị Horus cho người khiếm thị, Facebook AAT, an ninh camera) và chỉ rõ 4 nhóm thách thức chính: tính tổng quát hóa, độ tự nhiên của câu từ, rào cản ngôn ngữ phi tiếng Anh và khó khăn trong xây dựng dữ liệu tiếng Việt. Từ đó, chương xác lập mục tiêu, phương pháp thực hiện qua 4 giai đoạn, cấu trúc 5 chương của khóa luận và khẳng định đóng góp chính là bộ dữ liệu mô tả tiếng Việt về giao thông cùng kết quả thực nghiệm mô hình học sâu.

Chương 2: Các nghiên cứu liên quan

Chương 2 tổng quan các phương pháp học sâu và các bộ dữ liệu công bố trên thế giới:

  • Phương pháp: Trình bày chi tiết cấu trúc toán học và kiến trúc của mạng CNN-RNN, Reflective Decoding Network (Faster R-CNN kết hợp LSTM hai tầng, Reflective Attention và Reflective Position) và DenseCap (kiến trúc FCLN trên nền VGG-16).
  • Bộ dữ liệu tiếng Anh: Flickr30K (31.783 ảnh sinh hoạt, 5 chú thích/ảnh qua Crowdsourcing) và Microsoft COCO Captions (>330.000 ảnh, hơn 1 triệu câu mô tả qua Amazon Mechanical Turk).
  • Bộ dữ liệu tiếng Việt: UIT-ViIC (3.850 ảnh thể thao bóng từ MS COCO, 19.250 câu mô tả thủ công) và VieCap4H (10.068 ảnh y tế từ kho GDELT, 11.563 câu mô tả).
  • Bộ dữ liệu đa ngôn ngữ khác: Bảng tổng hợp đối chiếu quy mô các tập dữ liệu quốc tế được chia sẻ công khai:
Bộ dữ liệu Nguồn hình ảnh Số lượng hình ảnh Số lượng câu mô tả Ngôn ngữ
STAIR Captions MS COCO 164.062 820.310 Tiếng Nhật
VieCap4H GDELT 10.068 11.563 Tiếng Việt
UIT-ViIC MS COCO 3.850 19.250 Tiếng Việt
YJ Captions 26K MS COCO 26.500 131.470 Tiếng Nhật
IAPR TC-12 Nhiều nguồn 20.000 100.000 Tiếng Đức
COCO-CN MS COCO 20.342 27.128 Tiếng Trung
Flickr8k-CN Flickr 6.000 30.000 Tiếng Trung

Chương 3: Hướng tiếp cận trong khóa luận

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình xây dựng tập dữ liệu tiếng Việt:

  • Định dạng lưu trữ: Dữ liệu lưu dưới dạng tập tin JSON chuẩn hóa tương thích định dạng MS COCO:
    • Bảng thuộc tính hình ảnh: id (int), width (int), height (int), file_name (str), license (int), flickr_url (str), coco_url (str), date_captured (datetime).
    • Bảng thuộc tính câu mô tả: id (int), image_id (int), caption (str).
  • Thu thập dữ liệu: Trích xuất 3.066 ảnh chứa nhãn "traffic light" từ tập dữ liệu MS COCO.
  • Phát triển công cụ gán nhãn: Xây dựng ứng dụng web hiển thị ảnh, 5 caption tiếng Anh tham khảo, 5 ô nhập liệu và tính năng kiểm tra tự động cảnh báo lỗi nếu độ dài câu chưa đạt yêu cầu.
  • Quy tắc gán nhãn chuẩn hóa (9 quy tắc):
    1. Độ dài mỗi câu từ 10 đến 30 tiếng.
    2. Chỉ miêu tả sự vật, hiện tượng nhìn thấy rõ trong hình.
    3. Loại bỏ danh từ riêng (tên đường, địa danh) và chữ số cụ thể (số nhà, giờ đồng hồ).
    4. Mỗi câu mô tả gồm 1 câu duy nhất và ở thì tiếp diễn.
    5. Cho phép dùng từ mượn tiếng Anh quen thuộc (TV, taxi...).
    6. Không đưa cảm xúc, nhận định cá nhân.
    7. Cho phép đa dạng góc nhìn giữa các người gán nhãn.
    8. Loại bỏ sự vật bị che khuất, không rõ hình dạng.
    9. Bỏ qua việc liệt kê chi tiết nếu có từ 10 đến 15 sự vật cùng loại.
  • Mô hình nghiên cứu: Giới thiệu nguyên lý của mô hình Show, Attend and Tell và kiến trúc mô hình ClipCap.

Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá

Chương 4 thiết lập môi trường và phương pháp thực nghiệm:

  • Chuẩn bị tập dữ liệu huấn luyện, kiểm định và kiểm tra.
  • Cấu hình các siêu tham số huấn luyện mô hình.
  • Phân tích cơ chế Attention tập trung vào các đặc trưng vùng không gian quan trọng của ảnh giao thông.
  • Đo lường và so sánh hiệu suất phát sinh câu mô tả của mô hình Show, Attend and Tell và mô hình ClipCap trên hai tập dữ liệu (bộ dữ liệu tiếng Việt gán nhãn thủ công và bộ dữ liệu dịch tự động bởi Google Translate).

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được về mặt dữ liệu và mô hình; đồng thời đề xuất định hướng nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng câu mô tả và ứng dụng vào thực tế.


Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành các mục tiêu đề ra với những đóng góp cụ thể:

  • Xây dựng bộ dữ liệu tiếng Việt chủ đề giao thông: Thu thập và chuẩn hóa 3.066 hình ảnh có nhãn "traffic light" từ MS COCO; xây dựng tập dữ liệu mô tả tiếng Việt với 5 câu mô tả được biên soạn thủ công cho mỗi ảnh, tuân thủ chặt chẽ cấu trúc JSON chuẩn mực.
  • Phát triển công cụ hỗ trợ gán nhãn: Thiết kế hoàn chỉnh ứng dụng gán nhãn chạy trên trình duyệt web có tích hợp kiểm tra tự động ràng buộc độ dài văn bản (>10 từ) và cơ chế chuyển đổi liên kết ảnh dự phòng, giúp nâng cao năng suất và chất lượng dữ liệu.
  • Thiết lập bộ quy tắc chuẩn hóa: Đề xuất hệ thống 9 quy tắc biên soạn mô tả tiếng Việt chi tiết, giải quyết xung đột góc nhìn và hạn chế tối đa các lỗi ngữ nghĩa/ngữ pháp thường gặp trong các tập dữ liệu dịch máy.
  • Đánh giá thực nghiệm mô hình học sâu: Triển khai huấn luyện và so sánh mô hình Show, Attend and Tell cùng ClipCap trên cả tập dữ liệu biên soạn thủ công và tập dữ liệu dịch tự động, cung cấp bức tranh định lượng rõ nét về hiệu quả xử lý ngôn ngữ tự nhiên tiếng Việt cho bài toán Image Captioning.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Dữ liệu nghiên cứu chỉ tập trung trong phạm vi miền hình ảnh giao thông (cụ thể là các cảnh có đèn tín hiệu giao thông - "traffic light") với quy mô 3.066 ảnh trích xuất từ MS COCO, chưa bao quát toàn diện các bối cảnh đời sống khác.
  • Lực lượng tham gia biên soạn câu mô tả thủ công giới hạn trong nhóm sinh viên thực hiện đề tài (độ tuổi 20-24), chưa mở rộng quy mô gán nhãn cộng đồng đa dạng tầng lớp.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng quy mô tập dữ liệu hình ảnh sang nhiều chủ đề giao thông mở rộng và các lĩnh vực đời sống xã hội khác.
  • Tăng cường số lượng người tham gia gán nhãn và đa dạng hóa đối tượng biên soạn để làm phong phú thêm vốn từ ngữ và góc nhìn mô tả.
  • Thử nghiệm thêm các kiến trúc mô hình học sâu thị giác - ngôn ngữ mới nhằm tối ưu hóa điểm số đánh giá câu mô tả.
  • Ứng dụng mô hình vào quá trình phát triển thiết bị phần cứng hỗ trợ định hướng và cảnh báo an toàn cho người khiếm thị khi tham gia giao thông.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Khoa học Máy tính, Trí tuệ nhân tạo: Là tài liệu tham khảo hệ thống về bài toán Image Captioning, từ lý thuyết chuỗi-sang-chuỗi, kiến trúc mạng CNN-RNN, RDN, DenseCap đến các mô hình hiện đại như Show, Attend and Tell và ClipCap.
  • Các nhà nghiên cứu xử lý ngôn ngữ tự nhiên và thị giác máy tính tiếng Việt: Tham khảo phương pháp luận xây dựng bộ dữ liệu đa phương thức, cấu trúc lược đồ JSON tương thích chuẩn quốc tế MS COCO và hệ thống 9 quy tắc biên soạn mô tả tiếng Việt chuẩn mực.
  • Nhóm phát triển công cụ gán nhãn: Tham khảo thiết kế giao diện và logic kiểm soát dữ liệu trên nền web (bắt lỗi độ dài tự động, xử lý liên kết hình ảnh dự phòng).

Câu hỏi thường gặp

1. Mục tiêu cốt lõi của khóa luận tốt nghiệp này là gì?

Mục tiêu của khóa luận là nghiên cứu tổng quan bài toán Image Captioning, xây dựng một bộ dữ liệu câu mô tả tiếng Việt chuẩn hóa cho hình ảnh giao thông (đèn tín hiệu giao thông) được biên soạn thủ công, và thực nghiệm so sánh các mô hình học sâu (Show, Attend and Tell, ClipCap) trên bộ dữ liệu thủ công này đối chiếu với bộ dữ liệu dịch tự động.

2. Bộ dữ liệu tiếng Việt trong khóa luận có quy mô và cấu trúc lưu trữ như thế nào?

Bộ dữ liệu gồm 3.066 hình ảnh có nhãn "traffic light" được trích xuất từ MS COCO, mỗi ảnh có 5 câu mô tả tiếng Việt. Dữ liệu được lưu trữ trong tập tin định dạng JSON gồm hai bảng chính: bảng thông tin hình ảnh (id, width, height, file_name, license, flickr_url, coco_url, date_captured) và bảng câu mô tả (id, image_id, caption).

3. Công cụ gán nhãn dữ liệu trên nền web do nhóm xây dựng có những tính năng gì?

Công cụ cung cấp giao diện trực quan hiển thị hình ảnh, 5 câu mô tả tiếng Anh tương ứng từ MS COCO để làm gợi ý, 5 ô nhập liệu tiếng Việt, cơ chế tự động kiểm tra độ dài câu (báo lỗi nếu câu dưới 10 từ) trước khi lưu vào cơ sở dữ liệu và hỗ trợ thêm 2 đường dẫn ảnh thay thế phòng trường hợp liên kết chính bị lỗi.

4. Quy tắc biên soạn câu mô tả tiếng Việt trong khóa luận quy định những điểm chính nào?

Mỗi câu mô tả phải có độ dài từ 10 đến 30 tiếng, chỉ gồm đúng 1 câu duy nhất ở thì tiếp diễn, chỉ miêu tả sự vật hiện tượng nhìn thấy rõ trong ảnh, không dùng danh từ riêng (tên đường, địa danh) hoặc chữ số cụ thể (số nhà, giờ), không chứa cảm xúc cá nhân, cho phép từ mượn quen thuộc và bỏ qua liệt kê nếu có từ 10-15 vật cùng loại.

5. Những mô hình học sâu nào được khảo sát lý thuyết và đưa vào thực nghiệm trong khóa luận?

Về mặt lý thuyết, khóa luận khảo sát các kiến trúc CNN-RNN (Karpathy et al.), Reflective Decoding Network (RDN) và DenseCap (FCLN). Về mặt thực nghiệm, khóa luận tiến hành cài đặt, huấn luyện và đánh giá hai mô hình chính là Show, Attend and Tell và ClipCap trên cả tập dữ liệu tiếng Việt biên soạn thủ công và tập dữ liệu dịch tự động bằng máy.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Trung Anh và Nguyễn Phú Quốc đã giải quyết bài toán phát sinh mô tả cho ảnh trong ngữ cảnh tiếng Việt thông qua việc xây dựng thành công bộ dữ liệu chuẩn hóa gồm 3.066 ảnh giao thông với các câu mô tả được biên soạn thủ công. Đề tài đã thiết kế công cụ gán nhãn chuyên dụng trên trình duyệt web, ban hành bộ 9 quy tắc biên soạn mô tả nghiêm ngặt và tổ chức lưu trữ dữ liệu theo chuẩn JSON của MS COCO. Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm đối sánh các mô hình học sâu (Show, Attend and Tell, ClipCap) không chỉ khẳng định giá trị vượt trội của dữ liệu gán nhãn thủ công so với dịch máy mà còn tạo tiền đề quan trọng cho việc phát triển các ứng dụng hỗ trợ người khiếm thị tham gia giao thông an toàn.