2024 年（第 12 届）“泰迪杯”数据挖掘挑战赛——B 题：基于多模态特征融合的图像文本检索完整思路与源代码分享

一、问题背景

随着近年来智能终端设备和多媒体社交网络平台的飞速发展，多媒体数据呈现海量增长

的趋势，使当今主流的社交网络平台充斥着海量的文本、图像等多模态媒体数据，也使得人

们对不同模态数据之间互相检索的需求不断增加。有效的信息检索和分析可以大大提高平台

多模态数据的利用率及用户的使用体验，而不同模态间存在显著的语义鸿沟，大大制约了海

量多模态数据的分析及有效信息挖掘。因此，在海量的数据中实现跨模态信息的精准检索就

成为当今学术界面临的重要挑战。图像和文本作为信息传递过程中常见的两大模态，它们之

间的交互检索不仅能有效打破视觉和语言之间的语义鸿沟和分布壁垒，还能促进许多应用的

发展，如跨模态检索、图像标注、视觉问答等。

图像文本检索 指的是输入某一模态的数据（例如图像），通过训练的模型自动检索出与

之最相关的另一模态数据（例如文本），它包括两个方向的检索，即基于文本的图像检索和

基于图像的文本检索，如图 1 所示。基于文本的图像检索的目的是从数据库中找到与输入句

子相匹配的图像作为输出结果；基于图像的文本检索根据输入图片，模型从数据库中自动检

索出能够准确描述图片内容的文字。然而，来自图像和来自文本的特征存在固有的数据分布

的差异，也被称为模态间的“异构鸿沟”，使得度量图像和文本之间的语义相关性困难重重。

二、解决问题

本赛题是利用附件 1 的数据集，选择合适方法进行图像和文本的特征提取，基于提取的

特征数据，建立适用于 图像检索 的多模态特征融合模型和算法，以及建立适用于 文本检索 的

多模态特征融合模型和算法。基于建立的“多模态特征融合的图像文本检索”模型，完成以

下两个任务，并提交相关材料。

（1）基于图像检索的模型和算法，利用附件 2 中“word_test.csv”文件的文本信息， 对附件 2 的 ImageData 文件夹的图像进行图像检索，并罗列检索相似度较高的前五张图像，将结果存放在“result1.csv”文件中（模板文件详见附件4的result1.csv）。其中，ImageData文件夹中的图像 ID 详见附件 2 的“image_data.csv”文件。（完整附件见文末）

建立的“多模态特征融合的图像文本检索”模型。

1.数据加载与预处理：

通过读取CSV文件，加载图像数据集和对应的文本描述。

设置图像文件夹的路径，用于加载图像文件。

2.特征提取：

使用预训练的VGG16模型提取图像特征。VGG16是一个常用的深度学习模型，在ImageNet数据集上进行了训练，可提取图像的高级语义特征。

利用预训练的Word2Vec模型提取文本特征。Word2Vec是一个常用的词向量模型，可以将文本转换为密集向量表示，捕捉词语之间的语义关系。

3.特征融合：

将提取的图像特征和文本特征拼接在一起，形成多模态特征表示。

在这个示例中，使用了简单的拼接方式，将图像特征和文本特征直接连接在一起作为模型的输入。

4.模型训练与测试：

将数据集划分为训练集和测试集，使用划分后的数据训练多模态特征融合模型。

在这个示例中，使用了支持向量机（SVM）作为分类器，并在训练过程中加入了PCA降维处理以减少特征维度。

图像特征提取：

使用预训练的深度学习模型（如VGG、ResNet、Inception等）来提取图像的特征。这些模型在大规模图像数据集上进行了训练，并能够捕获图像的高级语义信息。

从每个图像中提取出的特征应该是一个固定长度的向量，表示图像的语义信息。

文本特征提取：

对文本数据进行处理，可以使用词嵌入模型（如Word2Vec、GloVe、BERT等）来将文本转换为向量表示。

对于每个文本，可以通过将词向量进行平均或加权平均来得到整个文本的向量表示。

特征融合：

将图像特征和文本特征进行融合，形成多模态特征表示。融合可以采用简单的拼接、加权平均等方式。

融合后的特征向量将包含图像和文本的语义信息，有助于更好地表示多模态数据。

相似度计算：

使用合适的相似度计算方法（如余弦相似度、欧氏距离等），计算图像与文本之间的相似度。相似度计算时应该基于融合后的特征向量。

相似度的计算可以使用最近邻算法（如k近邻）、基于距离的方法等。

（2）基于文本检索的模型和算法，利用附件 3 中“image_test.csv”文件提及的图像ID，对附件 3 的“word_data.csv”文件进行文本检索，并罗列检索相似度较高的前五条文本，将结果存放在“result2.csv”文件中（模板文件见附件 4 的 result2.csv）。其中，“image_test.csv”文件提及的图像 id，对应的图像数据可在附件 3 的 ImageData 文件夹中获取（完整附件见文末）

1.文本特征提取：

对附件3中的文本数据进行特征提取。可以使用预训练的词向量模型（如Word2Vec、GloVe等）将文本转换为向量表示，也可以使用文本嵌入技术（如BERT、ELMo等）获取文本的高级语义特征。

2.图像特征提取：

从附件3的ImageData文件夹中加载与图像ID对应的图像数据。然后，使用图像处理技术（如深度学习模型）提取图像的特征表示。

3.特征融合：

将文本特征和图像特征进行融合，形成多模态特征表示。可以简单地将两者连接在一起，也可以通过某些模型（如多层感知器、注意力机制等）进行融合。

4.相似度计算：

使用合适的相似度计算方法（如余弦相似度、欧氏距离等）来衡量图像与文本之间的相似度。较高的相似度表明图像与文本之间的语义关联性更强。

5.结果展示：

将相似度较高的前五条文本列出，并将结果存储在指定的CSV文件中，以便后续提交。每个图像ID都会有与之相关的文本ID列表。

附件：