类别语义相似性监督的小样本图像识别

目的 现有的深度学习模型往往需要大规模的训练数据,而小样本分类旨在识别只有少量带标签样本的目标类别。作为目前小样本学习的主流方法,基于度量的元学习方法在训练阶段大多没有使用小样本目标类的样本,导致这些模型的特征表示不能很好地泛化到目标类。为了提高基于元学习的小样本图像识别方法的泛化能力,本文提出了基于类别语义相似性监督的小样本图像识别方法。方法 采用经典的词嵌入模型GloVe（global vectors for word representation）学习得到图像数据集每个类别英文名称的词嵌入向量,利用类别词嵌入向量之间的余弦距离表示类别语义相似度。通过把类别之间的语义相关性作为先验知识进行整合,在模型训练阶段引入类别之间的语义相似性度量作为额外的监督信息,训练一个更具类别样本特征约束能力和泛化能力的特征表示。结果 在miniImageNet和tieredImageNet两个小样本学习基准数据集上进行了大量实验,验证提出方法的有效性。结果显示在miniImageNet数据集5-way 1-shot和5-way 5-shot设置上,提出的方法相比原型网络（prototypical networks）分类准确率分别提高1.9%和0.32%;在tieredImageNet数据集5-way 1-shot设置上,分类准确率相比原型网络提高0.33%。结论 提出基于类别语义相似性监督的小样本图像识别模型,提高小样本学习方法的泛化能力,提高小样本图像识别的准确率。     

基于深度示例差异化的零样本多标签图像分类

零样本多标签图像分类是对含多个标签且测试类别标签在训练过程中没有相应训练样本的图像进行分类标注。已有的研究表明,多标签图像类别间存在相互关联,合理利用标签间相互关系是多标签图像分类技术的关键,如何实现已见类到未见类的模型迁移,并利用标签间相关性实现未见类的分类是零样本多标签分类需要解决的关键问题。针对这一挑战性的学习任务,提出一种深度示例差异化分类算法。首先利用深度嵌入网络实现图像视觉特征空间至标签语义特征空间的跨模态映射,然后在语义空间利用示例差异化算法实现多标签分类。通过在主流数据集Natural Scene和IAPRTC-12上与已有算法进行对比实验,验证了所提方法的先进性和有效性,同时验证了嵌入网络的先进性。     

高光谱图像小样本分类的卷积神经网络方法

目的 与传统分类方法相比,基于深度学习的高光谱图像分类方法能够提取出高光谱图像更深层次的特征。针对现有深度学习的分类方法网络结构简单、特征提取不够充分的问题,提出一种堆叠像元空间变换信息的数据扩充方法,用于解决训练样本不足的问题,并提出一种基于不同尺度的双通道3维卷积神经网络的高光谱图像分类模型,来提取高光谱图像的本质空谱特征。方法 通过对高光谱图像的每一像元及其邻域像元进行旋转、行列变换等操作,丰富中心像元的潜在空间信息,达到数据集扩充的作用。将扩充之后的像素块输入到不同尺度的双通道3维卷积神经网络学习训练集的深层特征,实现更高精度的分类。结果 5次重复实验后取平均的结果表明,在随机选取了10%训练样本并通过8倍数据扩充的情况下,Indian Pines数据集实现了98.34%的总体分类精度,Pavia University数据集总体分类精度达到99.63%,同时对比了不同算法的运行时间,在保证分类精度的前提下,本文算法的运行时间短于对比算法,保证了分类模型的稳定性、高效性。结论 本文提出的基于双通道卷积神经网络的高光谱图像分类模型,既解决了训练样本不足的问题,又综合了高光谱图像的光谱特征和空间特征,提高了高光谱图像的分类精度。     

一种基于融合重构的子空间学习的零样本图像分类方法

图像分类是计算机视觉中一个重要的研究子领域.传统的图像分类只能对训练集中出现过的类别样本进行分类.然而现实应用中,新的类别不断涌现,因而需要收集大量新类别带标记的数据,并重新训练分类器.与传统的图像分类方法不同,零样本图像分类能够对训练过程中没有见过的类别的样本进行识别,近年来受到了广泛的关注.零样本图像分类通过语义空间建立起已见类别和未见类别之间的关系,实现知识的迁移,进而完成对训练过程中没有见过的类别样本进行分类.现有的零样本图像分类方法主要是根据已见类别的视觉特征和语义特征,学习从视觉空间到语义空间的映射函数,然后利用学习好的映射函数,将未见类别的视觉特征映射到语义空间,最后在语义空间中用最近邻的方法实现对未见类别的分类.但是由于已见类和未见类的类别差异,以及图像的分布不同,从而容易导致域偏移问题.同时直接学习图像视觉空间到语义空间的映射会导致信息损失问题.为解决零样本图像分类知识迁移过程中的信息损失以及域偏移的问题,本文提出了一种图像分类中基于子空间学习和重构的零样本分类方法.该方法在零样本训练学习阶段,充分利用未见类别已知的信息,来减少域偏移,首先将语义空间中的已见类别和未见类别之间的关系迁移到视觉空间中,学习获得未见类别视觉特征原型.然后根据包含已见类别和未见类别在内的所有类别的视觉特征原型所在的视觉空间和语义特征原型所在的语义空间,学习获得一个潜在类别原型特征空间,并在该潜在子空间中对齐视觉特征和语义特征,使得所有类别在潜在子空间中的表示既包含视觉空间下的可分辨性信息,又包含语义空间下的类别关系信息,同时在子空间的学习过程中利用重构约束,减少信息损失,同时也缓解了域偏移问题.最后零样本分类识别阶段,在不同的空间下根据最近邻算法对未见类别样本图像进行分类.本文的主要贡献在于:一是通过对语义空间中类别间关系的迁移,学习获得视觉空间中未见类别的类别原型,使得在训练过程中充分利用未见类别的信息,一定程度上缓解域偏移问题.二是通过学习一个共享的潜在子空间,该子空间既包含了图像视觉空间中丰富的判别性信息,也包含了语义空间中的类别间关系信息,同时在子空间学习过程中,通过重构,缓解知识迁移过程中信息损失的问题.本文在四个公开的零样本分类数据集上进行对比实验,实验结果表明本文提出的零样本分类方法取得了较高的分类平均准确率,证明了本文方法的有效性.     

基于低秩堆栈式语义自编码器的零样本学习

在图像分类领域,现有的深度学习等方法在训练时需要大量有标注的数据样本,且无法识别在训练阶段未出现的类别。零样本学习能有效缓解此类问题。本研究基于堆栈式自编码器和低秩嵌入,提出了一种新的零样本学习方法,即基于低秩嵌入的堆栈语义自编码器（low-rank stacked semantic auto-encoder,LSSAE）。该模型基于编码-解码机制,编码器学习到一个具有低秩结构的投影函数,用于将图像的视觉特征空间、语义描述空间以及标签进行连接;解码阶段重建原始视觉特征。并通过低秩嵌入,使得学习到的模型在预见未见类别时能共享已见类的语义信息,从而更好地进行分类。本研究在五个常见的数据集上进行实验,结果表明LSSAE的性能优于已有的零样本学习方法,是一种有效的零样本学习方法。     

提高小样本高光谱图像分类性能的变维卷积神经网络

目的 为了解决基于卷积神经网络的算法对高光谱图像小样本分类精度较低、模型结构复杂和计算量大的问题,提出了一种变维卷积神经网络。方法 变维卷积神经网络对高光谱分类过程可根据内部特征图维度的变化分为空—谱信息融合、降维、混合特征提取与空—谱联合分类的过程。这种变维结构通过改变特征映射的维度,简化了网络结构并减少了计算量,并通过对空—谱信息的充分提取提高了卷积神经网络对小样本高光谱图像分类的精度。结果 实验分为变维卷积神经网络的性能分析实验与分类性能对比实验,所用的数据集为Indian Pines和Pavia University Scene数据集。通过实验可知,变维卷积神经网络对高光谱小样本可取得较高的分类精度,在Indian Pines和Pavia University Scene数据集上的总体分类精度分别为87.87%和98.18%,与其他分类算法对比有较明显的性能优势。结论 实验结果表明,合理的参数优化可有效提高变维卷积神经网络的分类精度,这种变维模型可较大程度提高对高光谱图像中小样本数据的分类性能,并可进一步推广到其他与高光谱图像相关的深度学习分类模型中。     

跨模态多标签生物医学图像分类建模识别

目的 生物医学文献中的图像经常是包含多种模式的复合图像,自动标注其类别,将有助于提高图像检索的性能,辅助医学研究或教学。方法 融合图像内容和说明文本两种模态的信息,分别搭建基于深度卷积神经网络的多标签分类模型。视觉分类模型借用自然图像和单标签的生物医学简单图像,实现异质迁移学习和同质迁移学习,捕获通用领域的一般特征和生物医学领域的专有特征,而文本分类模型利用生物医学简单图像的说明文本,实现同质迁移学习。然后,采用分段式融合策略,结合两种模态模型输出的结果,识别多标签医学图像的相关模式。结果 本文提出的跨模态多标签分类算法,在ImageCLEF2016生物医学图像多标签分类任务数据集上展开实验。基于图像内容的混合迁移学习方法,比仅采用异质迁移学习的方法,具有更低的汉明损失和更高的宏平均F1值。文本分类模型引入同质迁移学习后,能够明显提高标签的分类性能。最后,融合两种模态的多标签分类模型,获得与评测任务最佳成绩相近的汉明损失,而宏平均F1值从0.320上升到0.488,提高了约52.5%。结论 实验结果表明,跨模态生物医学图像多标签分类算法,融合图像内容和说明文本,引入同质和异质数据进行迁移学习,缓解生物医学图像领域标注数据规模小且标签分布不均衡的问题,能够更有效地识别复合医学图像中的模式信息,进而提高图像检索性能。     

一种基于直推判别字典学习的零样本分类方法

零样本分类的目标是对训练阶段未出现过的类别的样本进行识别和分类,其主要思路是,借助类别语义信息,将可见类别的知识转移到未见类别中.提出了一种直推式的字典学习方法,包含以下两个步骤：首先,提出一个判别字典学习模型,对带标签的可见类别样本的视觉特征和类别语义特征建立映射关系模型;然后,针对可见类别和未见类别不同引起的域偏移问题,提出了一个基于直推学习的修正模型.通过在3个基准数据集（AwA,CUB和SUN）上的实验结果,证明了该方法的有效性和先进性.     

HSRS-SC:面向遥感场景分类的高光谱图像数据集

目的 场景分类是遥感领域一项重要的研究课题，但大都面向高分辨率遥感影像。高分辨率影像光谱信息少，故场景鉴别能力受限。而高光谱影像包含更丰富的光谱信息，具有强大的地物鉴别能力，但目前仍缺少针对场景级图像分类的高光谱数据集。为了给高光谱场景理解提供数据支撑，本文构建了面向场景分类的高光谱遥感图像数据集（hyperspectral remote sensing dataset for scene classification，HSRS-SC）。方法 HSRS-SC来自黑河生态水文遥感试验航空数据，是目前已知最大的高光谱场景分类数据集，经由定标系数校正、大气校正等处理形成。HSRS-SC分为5个类别，共1 385幅图像，且空间分辨率较高（1 m），波长范围广（380~1 050 nm），同时蕴含地物丰富的空间和光谱信息。结果 为提供基准结果，使用AlexNet、VGGNet-16、GoogLeNet在3种方案下组织实验。方案1仅利用可见光波段提取场景特征。方案2和方案3分别以加和、级联的形式融合可见光与近红外波段信息。结果表明有效利用高光谱影像不同波段信息有利于提高分类性能，最高分类精度达到93.20%。为进一步探索高光谱场景的优势，开展了图像全谱段场景分类实验。在两种训练样本下，高光谱场景相比RGB图像均取得较高的精度优势。结论 HSRS-SC可以反映详实的地物信息，能够为场景语义理解提供良好的数据支持。本文仅利用可见光和近红外部分波段信息，高光谱场景丰富的光谱信息尚未得到充分挖掘。后续可在HSRS-SC开展高光谱场景特征学习及分类研究。     

多标签高光谱图像地物分类

目的 在高光谱地物分类中,混合像元在两个方面给单标签分类带来了负面影响：单类地物在混入异类地物后,其光谱特征会发生改变,失去独特性,使类内差异变大;多类地物在混合比例加深的情况下,光谱曲线会互相趋近,使类间差异变小。为了解决这一问题,本文将多标签技术运用在高光谱分类中。方法 基于高光谱特性,本文将欧氏距离与光谱角有机结合运用到基于类属属性的多标签学习LIFT（multi-label learning with label specific features）算法的类属属性构建中,形成了适合高光谱多标签的方法。基于标签地位的不相等,本文为多标签数据标注丰度最大标签,并在K最近邻KNN（k-nearest neighbor）算法中为丰度最大的标签设置比其余标签更大的权重,完成对最大丰度标签的分类。结果 在多标签分类与单标签分类的比较中,多标签表现更优,且多标签在precision指标上表现良好,高于单标签0.5% 1.5%。在与其余4种多标签方法的比较中,本文多标签方法在2个数据集上表现最优,在剩余1个数据集上表现次优。在最大丰度标签的分类上,本文方法表现优于单标签分类,在数据集Jasper Ridge上的总体分类精度提高0.2%,混合像元分类精度提高0.5%。结论 多标签分类技术应用在高光谱地物分类上是可行的,可以提升分类效果。本文方法根据高光谱数据的特性对LIFT方法进行了改造,在高光谱多标签分类上表现优异。高光谱地物的多标签分类中,每个像元多个标签的地位不同,在分类中可以通过设置不同权重体现该性质,提升分类精度。     

视觉—语义双重解纠缠的广义零样本学习

目的 传统的零样本学习（zero-shot learning,ZSL）旨在依据可见类别的数据和相关辅助信息对未见类别的数据进行预测分类,而广义零样本学习（generalized zero-shot learning,GZSL）中分类的类别既可能属于可见类也可能属于不可见类,这更符合现实的应用场景。基于生成模型的广义零样本学习的原始特征和生成特征不一定编码共享属性所指的语义相关信息,这样会导致模型倾向于可见类,并且分类时忽略了语义信息中与特征相关的有用信息。为了分解出相关的视觉特征和语义信息,提出了视觉—语义双重解纠缠框架。方法 首先,使用条件变分自编码器为不可见类生成视觉特征,再通过一个特征解纠缠模块将其分解为语义一致性和语义无关特征。然后,设计了一个语义解纠缠模块将语义信息分解为特征相关和特征无关的语义。其中,利用总相关惩罚来保证分解出来的两个分量之间的独立性,特征解纠缠模块通过关系网络来衡量分解的语义一致性,语义解纠缠模块通过跨模态交叉重构来保证分解的特征相关性。最后,使用两个解纠缠模块分离出来的语义一致性特征和特征相关语义信息联合学习一个广义零样本学习分类器。结果 实验在4个广义...     

零样本图像分类综述

面对人工标注大量样本费时费力,一些稀有类别样本难于获取等问题,零样本图像分类成为计算机视觉领域的一个研究热点。首先,对零样本学习,包括直推式零样本学习和归纳式零样本学习进行了简单介绍;其次,重点介绍了基于空间嵌入零样本图像分类方法和基于生成模型零样本图像分类方法以及它们的子类方法,并对这些方法的机制、优缺点和适用场景等进行了分析和总结;然后,简单介绍了零样本图像分类常用数据集和评估方法,并对典型零样本图像分类方法进行了性能比较;接着,指出了现有零样本图像分类中存在的领域漂移、枢纽点和语义鸿沟等问题及相应的解决思路;最后,对零样本图像分类未来发展趋势和研究热点,如判别性区域的准确定位、生成高质量不可见类视觉特征、广义零样本图像分类等进行了探讨。     

基于自监督增强特征的直推式零样本图像分类

图像的视觉特征对实现零样本图像分类有至关重要的作用.尽管目前VGG、GoogLeNet和ResNet等网络提取的深度特征在图像分类领域获得了广泛的应用,但其在零样本图像分类问题上的表现并不理想,仍旧存在较大的提升空间.此外,由于零样本学习场景下训练集与测试集不相交的设定,导致分类网络不可避免地存在领域偏移问题.为此,提出一种基于自监督增强特征的直推式零样本图像分类框架.首先,通过辅助任务构造伪标签,利用自监督学习获得图像的自监督特征并将其与无监督深度特征进行特征融合;然后,将融合特征嵌入语义空间中进行零样本图像分类,并获得未见类的初始预测标签;最后,利用未见类特征和预测标签迭代地优化视觉-语义映射.所提出框架组件可选择,框架组件自监督网络、主干网络和降维网络分别选用CFN、VGG16和PCA构成网络.在CUB、SUN和AwA2数据集上的实验结果表明,所提出网络能够增强特征的判别能力,在零样本图像分类问题上表现良好.     

基于间接域适应特征生成的直推式零样本学习方法

近年来，零样本学习备受机器学习和计算机视觉领域的关注.传统的归纳式零样本学习方法通过建立语义与视觉之间的映射关系，实现类别之间的知识迁移.这类方法存在着可见类和未见类之间的映射域漂移（projection domain shift）问题，直推式零样本学习方法通过在训练阶段引入无标定的未见类数据进行域适应，能够有效地缓解上述问题并提升零样本学习精度.然而，通过实验分析发现，这种直接在视觉空间同时进行语义映射建立和域适应的直推式零样本学习方法容易陷入“相互制衡”问题，从而无法充分发挥语义映射和域适应的最佳性能.针对上述问题，提出了一种基于间接域适应特征生成（feature generation with indirect domain adaptation，FG-IDA）的直推式零样本学习方法.该方法通过串行化语义映射和域适应优化过程，使得直推式零样本学习的这两大核心步骤能够在不同特征空间分别进行最佳优化，从而激发其潜能提升零样本识别精度.在4个标准数据集（CUB，AWA1，AWA2，SUN）上对FG-IDA模型进行了评估，实验结果表明，FG-IDA模型不仅展示出了相对其他直推学习方法的优越性，同时还在AWA1，AWA2和CUB数据集上取得了当前最优结果（the state-of-the-art performance）.此外还进行了详尽的消融实验，通过与直接域适应方法进行对比分析，验证了直推式零样本学习中的“相互制衡”问题以及间接域适应思想的先进性.     

一种基于视觉特征组合构造的零样本学习方法

零样本学习是机器学习和图像识别领域重要的研究热点.零样本学习方法通常利用未见类与可见类之间的类别语义信息,将从可见类样本学习到的知识转移到未见类,实现对未见类样本的分类识别.提出了一种基于视觉特征组合构造的零样本学习方法,采用特征组合的方式构造产生大量未见类样例特征,将零样本学习问题转化为标准的监督学习分类问题.该方法模拟了人类的联想认知过程,其主要包括4步：特征-属性关系提取、样例构造、样例过滤、特征域适应.在可见类样本上抽取类别属性与特征维度的对应关系;利用特征-属性关系,通过视觉特征的组合构造的方式,产生未见类样例;引入非相似表示,过滤掉不合理的未见类样例;提出半监督特征域适应和无监督特征域适应,实现未见类样例的线性转换,产生更有效的未见类样例.在3个基准数据集（AwA,AwA2和SUN）上的实验结果显示,该方法效能优越,在数据集AwA上获得了当前最优的Top-1分类正确率82.6%.实验结果证明了该方法的有效性和先进性.     

基于未知类语义约束自编码的零样本图像分类

为缓解传统零样本图像分类模型中存在的领域偏移问题,提出一种基于未知类语义约束自编码的零样本图像分类模型.首先,利用预训练的ResNet101网络提取所有已知类和未知类图像的视觉特征;其次,通过编码器将提取的图像深度视觉特征从视觉空间映射到语义空间;然后,通过解码器将映射后得到的语义向量重构为视觉特征向量,在语义自编码器的训练过程中,利用未知类图像的聚类视觉中心和未知类语义类原型的分布对齐施加约束,以缓解领域偏移问题;最后,基于经编码器预测得到的测试图像语义向量和各测试类语义类原型之间的相似性,采用最近邻算法实现零样本图像分类.在AwA2和CUB数据集上的实验结果表明,所提出模型具有较高的分类准确度.     

视觉特征对比解耦的广义零样本学习

广义零样本学习通常利用在ImageNet上预训练的深度模型来提取相应的视觉特征,然而预训练模型提取到的视觉特征不可避免地包含和语义无关的信息,这将导致语义—视觉对齐的偏差以及对不可见类的负迁移,从而影响分类结果。为解决上述问题,提出了视觉特征对比解耦的广义零样本学习模型(visual feature contrast decoupling for generalized zero-shot learning, VFCD-GZSL),通过解耦出视觉特征中的语义相关表示来降低冗余信息对分类结果的影响。具体来说,首先用条件变分自编码器生成不可见类的视觉特征。然后通过解耦模块将视觉特征解耦语义相关和语义无关的潜层表示,同时添加总相关惩罚和对比损失来鼓励两者间的相互独立,并用语义关系匹配模型衡量其语义一致性,从而指导模型学习语义相关表示。最后使用特征细化模块细化后的特征和语义相关表示联合学习一个广义零样本学习分类器。在四个数据集上的实验均取得较优的结果,证实了所提方法的有效性。     

基于随机传播图卷积模型的零样本图像分类

零样本图像分类旨在识别训练时从未出现过的全新类别(未见类别),为此需要利用辅助信息建模未见类和可见类之间的关系。利用图卷积网络(GCN)进行零样本分类的模型可以借助知识图显式地表达类别之间的关系,但 GCN 易受过平滑影响,导致模型性能下降。针对此问题提出了基于随机传播图卷积模型的零样本图像分类方法。该方法使用随机传播机制处理原始特征以达到特征扰动和数据扩增的目的;利用数据中类别层级生成的知识图建模类别之间的语义关系。其中,图中节点代表类别,节点间的边代表类别之间的关系。再构建 GCN对处理后的特征进行训练,从节点中输出包含未见类别的分类器参数,进而实现零样本图像分类。实验结果表明,该方法可以有效地改善零样本图像分类中的时间消耗、分类精度和泛化性能。