捕获局部语义结构和实例辨别的无监督哈希

由于具有低存储成本、高效检索、低标注成本等方面的优势,无监督的哈希技术已经引起了学术界越来越多的关注,并且已经广泛地应用到大规模数据库检索问题中.先前的无监督方法大部分依靠数据集本身的语义结构作为指导信息,要求在哈希空间中,数据的语义信息能够得到保持,从而完成哈希编码的学习.因此如何精确地表示语义结构以及哈希编码成为了无监督哈希方法成功的关键.本文提出一种新的基于自监督学习的策略进行无监督哈希编码学习.具体来讲,本文首先利用对比学习对在目标数据集上对网络进行学习,从而能够构建准确的语义相似性结构.接着,提出一个新的目标损失函数,期望在哈希空间中,数据的局部语义相似性结构能够得到保持,同时哈希编码的辨识力能够得到提升.本文提出的网络框架是端到端可训练的.最后,提出的算法在两个大规模图像检索数据集上进行了测试,大量的实验验证了本文提出的算法的有效性.     

深度哈希图像检索方法综述

随着网络上图像和视频数据的快速增长,传统图像检索方法已难以高效处理海量数据。在面向大规模图像检索时,特征哈希与深度学习结合的深度哈希技术已成为发展趋势,为全面认识和理解深度哈希图像检索方法,本文对其进行梳理和综述。根据是否使用标签信息将深度哈希方法分为无监督、半监督和监督深度哈希方法,根据无监督和半监督深度哈希方法的主要研究点进一步分为基于卷积神经网络（convolutional neural networks,CNN）和基于生成对抗网络（generative adversarial networks,GAN）的无监督/半监督深度哈希方法,根据数据标签信息差异将监督深度哈希方法进一步分为基于三元组和基于成对监督信息的深度哈希方法,根据各种方法使用损失函数的不同对每类方法中一些经典方法的原理及特性进行介绍,对各种方法的优缺点进行分析。通过分析和比较各种深度哈希方法在CIFAR-10和NUS-WIDE数据集上的检索性能,以及深度哈希算法在西安邮电大学图像与信息处理研究所（Center for Image and Information Processing,CⅡP）自建的两个特色数据库上的测试结果,对基于深度哈希的检索技术进行总结,分析了深度哈希的检索技术未来的发展前景。监督深度哈希的图像检索方法虽然取得了较高的检索精度。但由于监督深度哈希方法高度依赖数据标签,无监督深度哈希技术更加受到关注。基于深度哈希技术进行图像检索是实现大规模图像数据高效检索的有效方法,但存在亟待攻克的技术难点。针对实际应用需求,关于无监督深度哈希算法的研究仍需要更多关注。     

基于锚图分类的在线半监督跨模态哈希

近年来，哈希算法由于其存储成本小、检索速度快的特点，在大规模多媒体数据的高效跨模态检索中受到了广泛关注。现有的跨模态哈希算法大多是有监督和无监督方法，其中有监督方法通常能够获得更好的性能，但在实际应用中要求所有数据都被标记并不具有可行性。此外，这些方法大多数是离线方法，面对流数据的输入需要付出高额训练成本且十分低效。针对上述问题，提出了一种新的半监督跨模态哈希方法——在线半监督锚图跨模态哈希(Online Semi-supervised Anchor Graph Cross-modal Hashing, OSAGCH),构建了半监督锚图跨模态哈希模型，在只有部分数据有标签的情况下，利用正则化锚图预测数据标签，并通过子空间关系学习哈希函数，一步生成统一的哈希码，同时针对流数据输入的情况对该模型进行了在线化学习，使其能够处理流数据。在公共多模态数据集上进行了实验，结果表明所提方法的性能优于其他现有方法。     

基于伪成对标签的深度无监督哈希学习

无监督的深度哈希学习方法由于缺少相似性监督信息,难以获取高质量的哈希编码.因此,文中提出端到端的基于伪成对标签的深度无监督哈希学习模型.首先对由预训练的深度卷积神经网络得到的图像特征进行统计分析,用于构造数据的语义相似性标签.再进行基于成对标签的有监督哈希学习.在两个常用的图像数据集CIFAR-10、NUS-WIDE上的实验表明,经文中方法得到的哈希编码在图像检索上的性能较优.     

自监督深度离散哈希图像检索

目的 基于深度学习的图像哈希检索是图像检索领域的热点研究问题。现有的深度哈希方法忽略了深度图像特征在深度哈希函数训练中的指导作用,并且由于采用松弛优化,不能有效处理二进制量化误差较大导致的生成次优哈希码的问题。对此,提出一种自监督的深度离散哈希方法（self-supervised deep discrete hashing,SSDDH）。方法 利用卷积神经网络提取的深度特征矩阵和图像标签矩阵,计算得到二进制哈希码并作为自监督信息指导深度哈希函数的训练。构造成对损失函数,同时保持连续哈希码之间相似性以及连续哈希码与二进制哈希码之间的相似性,并利用离散优化算法求解得到哈希码,有效降低二进制量化误差。结果 将本文方法在3个公共数据集上进行测试,并与其他哈希算法进行实验对比。在CIFAR-10、NUS-WIDE（web image dataset from National University of Singapore）和Flickr数据集上,本文方法的检索精度均为最高,本文方法的准确率比次优算法DPSH（deep pairwise-supervised hashing）分别高3%、3%和1%。结论 本文提出的基于自监督的深度离散哈希的图像检索方法能有效利用深度特征信息和图像标签信息,并指导深度哈希函数的训练,且能有效减少二进制量化误差。实验结果表明,SSDDH在平均准确率上优于其他同类算法,可以有效完成图像检索任务。     

FP-CNNH:一种基于深度卷积神经网络的快速图像哈希算法

在大数据时代,图像检索技术在大规模数据上的应用是一个热门的研究领域。近年来,大规模图像检索系统中, 图像哈希算法 由于具备提高图像的检索效率同时减少储存空间的优点而受到广泛的关注。现有的有监督学习哈希算法存在一些问题,主流的有监督的哈希算法需要通过图像特征提取器获取人为构造的图像特征表示,这种做法带来的图像特征损失影响了哈希算法的效果,也不能较好地处理图像数据集中语义的相似性问题。随着深度学习在大规模数据上研究的兴起,一些相关研究尝试通过深度神经网络进行有监督的哈希函数学习,提升了哈希函数的效果,但这类方法需要针对数据集人为设计复杂的深度神经网络,增大了哈希函数设计的难度,而且深度神经网络的训练需要较多的数据和较长的时间,这些问题影响了基于深度学习的哈希算法在大规模数据集上的应用。针对这些问题,提出了一种基于深度卷积神经网络的快速图像哈希算法,该算法通过设计优化问题的求解方法以及使用预训练的大规模深度神经网络,提高了哈希算法的效果,同时明显地缩短了复杂神经网络的训练时间。根据在不同图像数据集上的实验结果分析可知, 与现有的基准算法相比,提出的算法在哈希函数训练效果和训练时间上都具有较大的提高。     

基于最近邻相似度的孤立点检测及半监督聚类算法

传统的聚类算法是一种无监督的学习过程,聚类的精度受到相似性度量方式以及数据集中孤立点的影响,并且算法也没有很好的利用先验知识,无法体现用户的需求。因此提出了基于共享最近邻的孤立点检测及半监督聚类算法。该算法采用共享最近邻为相似度,根据数据点的最近邻居数目来判断是否为孤立点,并在删除孤立点的数据集上进行半监督聚类。在半监督聚类过程中加入了经过扩展的先验知识,同时根据图形分割原理对数据集进行聚类。文中使用真实的数据集进行仿真,其仿真结果表明,本文所提出的算法能有效的检测出孤立点,并具有很好的聚类效果。     

基于深度多监督哈希的快速图像检索

由于较低的检索时间和空间复杂度,哈希方法被广泛应用于大规模图像检索领域。提出深度多监督哈希(Deep Multi-Supervised Hashing,DMSH)方法来学习具有高度判别能力和紧凑的哈希编码,并进行有效的图像检索。设计一个新的卷积神经网络结构来产生相似性保留的哈希编码,用一个识别信号来增加类间距离,用一个验证信号来降低类间距离。同时,通过正则化的方式降低网络输出和二进制哈希编码之间的损失并使二进制哈希值在每一维上均匀分布使网络输出更接近离散的哈希值。在两个数据集上的实验证明了该方法能够快速编码任意新的图像并取得先进的检索结果。     

基于学习型哈希的在线近邻查找算法

基于哈希的近邻查找技术在图像检索、文本匹配、数据挖掘等信息检索领域均有广泛应用.该技术将原始数据通过哈希函数压缩成低维的二进制编码,然后在海明距离下排序检索,具有快速高效且维度不敏感的优势.但是,目前学术界针对流数据的实时在线哈希学习方法的研究很少,而且基本没有讨论哈希函数的更新频率和稳定性问题.针对这一问题,通过增加置信区间来减少更换哈希函数的频率,并构造在线学习的目标函数,使得算法尽可能保持稳定,且快速收敛.为了验证所提出算法的效率和有效性,在公开数据集上与同类的OSH、OKH在线哈希算法进行比较,比较结果表明,所提出的算法在平均准确率和训练时间上有一定优势.     

基于元学习的深度哈希检索算法

随着移动互联网技术的发展,图像数据的规模越来越大,大规模图像检索任务已经成为了一个紧要的问题。由于检索速度快和存储消耗低,哈希算法受到了研究者的广泛关注。基于深度学习的哈希算法要达到较好的检索性能,需要一定数量的高质量训练数据来训练模型。然而现存的哈希方法通常忽视了数据集存在数据类别非平衡的问题,而这可能会降低检索性能。针对上述问题,提出了一种基于元学习网络的深度哈希检索算法。所提算法可以直接从数据中自动学习加权函数。该加权函数是只有一个隐含层的多层感知机（MLP）,在少量无偏差元数据的指导下,加权函数的参数可以和模型训练过程中的参数同时进行优化更新。元学习网络参数的更新方程可以解释为：较符合元学习数据的样本权重将被提高,而不符合元学习数据的样本权重将被减小。基于元学习网络的深度哈希检索算法可以有效减少非平衡数据对图像检索的影响,并可以提高模型的鲁棒性。在CIFAR-10等广泛使用的基准数据集上进行的大量实验表明,在非平衡比率较大时,所提算法的平均准确率均值（mAP）最佳;在非平均比率为200的条件下,所提算法的mAP比中心相似度量化算法、非对称深度监督哈希（ADSH）算法和快速可扩展监督哈希（FSSH）算法分别提高0.54个百分点,30.93个百分点和48.43个百分点。     

面向视觉搜索的空间局部敏感哈希方法

目的 视觉检索需要准确、高效地从大型图像或者视频数据集中检索出最相关的视觉内容,但是由于数据集中图像数据量大、特征维度高的特点,现有方法很难同时保证快速的检索速度和较好的检索效果。方法 对于面向图像视频数据的高维数据视觉检索任务,提出加权语义局部敏感哈希算法（weighted semantic locality-sensitive hashing, WSLSH）。该算法利用两层视觉词典对参考特征空间进行二次空间划分,在每个子空间里使用加权语义局部敏感哈希对特征进行精确索引。其次,设计动态变长哈希码,在保证检索性能的基础上减少哈希表数量。此外,针对局部敏感哈希（locality sensitive hashing, LSH）的随机不稳定性,在LSH函数中加入反映参考特征空间语义的统计性数据,设计了一个简单投影语义哈希函数以确保算法检索性能的稳定性。结果 在Holidays、Oxford5k和DataSetB数据集上的实验表明,WSLSH在DataSetB上取得最短平均检索时间0.034 25 s;在编码长度为64位的情况下,WSLSH算法在3个数据集上的平均精确度均值（mean average precision,mAP）分别提高了1.2%32.6%、1.7%19.1%和2.6%28.6%,与几种较新的无监督哈希方法相比有一定的优势。结论 通过进行二次空间划分、对参考特征的哈希索引次数进行加权、动态使用变长哈希码以及提出简单投影语义哈希函数来对LSH算法进行改进。由此提出的加权语义局部敏感哈希（WSLSH）算法相比现有工作有更快的检索速度,同时,在长编码的情况下,取得了更为优异的性能。     

Learning to hash: a comprehensive survey of deep learning-based hashing methods

Explosive growth of big data demands efficient and fast algorithms for nearest neighbor search. Deep learning-based hashing methods have proved their efficacy to learn advanced hash functions that suit the desired goal of nearest neighbor search in large image-based data-sets. In this work, we present a comprehensive review of different deep learning-based supervised hashing methods particularly for image data-sets suggested by various researchers till date to generate advanced hash functions. We categorize prior works into a five-tier taxonomy based on: (i) the design of network architecture, (ii) training strategy based on nature of data-set, (iii) the type of loss function, (iv) the similarity measure and, (v) the nature of quantization. Further, different data-sets used in prior works are reported and compared based on various challenges in the characteristics of images that are part of the data-sets. Lastly, different future directions such as incremental hashing, cross-modality hashing and guidelines to improve design of hash functions are discussed. Based on our comparative review, it has been observed that generative adversarial networks-based hashing models outperform other methods. This is due to the fact that they leverage more data in the form of both real world and synthetically generated data. Furthermore, it has been perceived that triplet-loss-based loss functions learn better discriminative representations by pushing similar patterns together and dis-similar patterns away from each other. This study and its observations shall be useful for the researchers and practitioners working in this emerging research field.

     

自适应高效深度跨模态增量哈希检索算法

针对现阶段深度跨模态哈希检索算法无法较好地检索训练数据类别以外的数据及松弛哈希码离散化约束造成的次优解等问题,提出自适应深度跨模态增量哈希检索算法,保持训练数据的哈希码不变,直接学习新类别数据的哈希码。同时,将哈希码映射到潜在子空间中保持多模态数据之间的相似性和非相似性,并提出离散约束保持的跨模态优化算法来求解最优哈希码。此外,针对目前深度哈希算法缺乏有效的复杂度评估方法,提出基于神经网络神经元更新操作的复杂度分析方法,比较深度哈希算法的复杂度。公共数据集上的实验结果显示,所提算法的训练时间低于对比算法,同时检索精度高于对比算法。     

基于点对相似度的深度非松弛哈希算法

哈希学习能够在保持数据之间语义相似性的同时, 将高维数据投影到低维的二值空间中以降低数据维度实现快速检索. 传统的监督型哈希学习算法主要是将手工设计特征作为模型输入, 通过分类和量化生成哈希码. 手工设计特征缺乏自适应性且独立于量化过程使得检索的准确率不高. 本文提出了一种基于点对相似度的深度非松弛哈希算法, 在卷积神经网络的输出端使用可导的软阈值函数代替常用的符号函数使准哈希码非线性接近-1或1, 将网络输出的结果直接用于计算训练误差, 在损失函数中使用$\ell_1$范数约束准哈希码的各个哈希位接近二值编码. 模型训练完成之后, 在网络模型外部使用符号函数, 通过符号函数量化生成低维的二值哈希码, 在低维的二值空间中进行数据的存储与检索. 在公开数据集上的实验表明, 本文的算法能够有效地提取图像特征并准确地生成二值哈希码, 且在准确率上优于其他算法.     

基于深度学习的服装图像检索方法

为实现面向大规模服装图像集的图像快速精准检索,突破当前常规检索方法的局限性,本文提出了一个新的深度学习模型：Fashion-16服装图像检索模型.采用先分类再类内检索的思想,基于VGG-16模型强大的图像特征提取能力,以卷积神经网络softmax分类器进行分类,对同一类别下采用局部敏感哈希的思想进行近似最近邻的查找,实现了针对服装类别属性的图像检索模型修正.实验结果表明,模型具有良好的稳定性、精确率及检索速度,有其实用价值与研究意义.     

基于标记增强的离散跨模态哈希方法

跨模态哈希通过将不同模态的数据映射为同一空间中更紧凑的哈希码,可以大大提升跨模态检索的效率.然而现有跨模态哈希方法通常使用二元相似性矩阵,不能准确描述样本间的语义相似关系,并且存在平方复杂度问题.为了更好地挖掘数据间的语义相似关系,提出了一个基于标记增强的离散跨模态哈希方法.首先借助迁移学习的先验知识生成样本的标记分布,然后通过标记分布构建描述度更强的语义相似性矩阵,再通过一个高效的离散优化算法生成哈希码,避免了量化误差问题.最后,在两个基准数据集上的实验结果验证了所提方法在跨模态检索任务上的有效性.