基于度量的小样本分类方法研究综述

小样本学习旨在让机器像人类一样通过对少量样本的学习达到对事物认知和概括的能力.基于度量的小样本学习方法希望学习一个低维嵌入空间,直接对比查询集合和支持类之间的相似性,分类测试样本.文中针对基于度量的小样本学习方法,尝试从这类方法需要解决的关键问题、类表示学习和相似性度量入手,梳理相关文献.与已有相关综述不同,文中只针对基于度量的小样本学习方法进行更详尽全面的分类,而且从关键问题角度进行分类.最后总结目前代表性工作在常用的图像分类任务数据集上的实验结果,分析现有方法存在的问题,并展望未来工作.     

基于深度元学习的小样本图像分类研究综述

深度元学习是解决小样本分类问题的流行范式。对近年来基于深度元学习的小样本图像分类算法进行了详细综述。从问题的描述出发对基于深度元学习的小样本图像分类算法进行概括,并介绍了常用小样本图像分类数据集及评价准则;分别从基于模型的深度元学习方法、基于优化的深度元学习方法以及基于度量的深度元学习方法三个方面对其中的典型模型以及最新研究进展进行详细阐述。最后,给出了现有算法在常用公开数据集上的性能表现,总结了该课题中的研究热点,并讨论了未来的研究方向。     

局部特征融合的小样本分类

目的 小样本学习是一项具有挑战性的任务,旨在利用有限数量的标注样本数据对新的类别数据进行分类。基于度量的元学习方法是当前小样本分类的主流方法,但往往仅使用图像的全局特征,且模型分类效果很大程度上依赖于特征提取网络的性能。为了能够充分利用图像的局部特征以及提高模型的泛化能力,提出一种基于局部特征融合的小样本分类方法。方法 首先,将输入图像进行多尺度网格分块处理后送入特征提取网络以获得局部特征;其次,设计了一个基于Transformer架构的局部特征融合模块来得到包含全局信息的局部增强特征,以提高模型的泛化能力;最后,以欧几里得距离为度量,计算查询集样本特征向量与支持集类原型之间的距离,实现分类。结果 在小样本分类中常用的3个数据集上与当前先进的方法进行比较,在5-way 1-shot和5-way 5-shot的设置下相对次优结果,所提方法在MiniImageNet数据集上的分类精度分别提高了2.96%和2.9%,在CUB（Caltech-UCSD Birds-200-2011）数据集上的分类精度分别提高了3.22%和1.77%,而在TieredImageNet数据集上的分类精度与最优结果相当,实验结果表明了所提方法的有效性。结论 提出的小样本分类方法充分利用了图像的局部特征,同时改善了模型的特征提取能力和泛化能力,使小样本分类结果更为准确。     

图神经网络的类别解耦小样本分类

现有的基于度量的小样本图像分类模型展现了一定的小样本学习性能,然而这些模型往往忽略了原始数据被分类关键特征的提取。图像数据中与分类无关的冗余信息被融入小样本模型的网络参数中,容易造成基于度量方法的小样本图像分类性能瓶颈。针对这个问题,提出一种基于图神经网络的类别解耦小样本图像分类模型（VT-GNN）,该模型结合图像自注意力与分类任务监督的变分自编码器作为图像嵌入模块,得到原始图像类别解耦特征信息,成为图结构中的一个图节点。通过一个多层感知机为节点之间构建具有度量信息的边特征,将一组小样本训练数据构造为图结构数据,借助图神经网络的消息传递机制实现小样本学习。在公开数据集Mini-Imagenet上,VT-GNN在分别5-way1-shot与5-way 5-shot设置中相较于基线图神经网络模型分别获得了17.9个百分点和16.25个百分点的性能提升。     

迁移度量学习行人再识别算法

行人再识别技术是计算机视觉领域中一个具有挑战性的任务。该任务针对个体的外观变化模式展开研究,特征变化剧烈,存在小样本问题,而通过提出的一种基于迁移学习的度量学习模型,可约束不同数据集样本分布的差异,实现度量模型在不同数据集上的迁移。该算法不仅增强了度量模型训练样本的多样性,提高了分辨能力,同时提升了样本的适应性。最后,通过在iLIDS数据集进行度量模型的预训练,并在VIPeR和CUHK01两个数据集上进行的迁移学习,验证了算法的有效性和准确性。     

采用特征图增强原型的小样本图像分类方法

在基于度量学习的小样本图像分类方法中,由于标注样本的稀缺,仅用支持集样本得到的类原型往往难以代表整个类别的真实分布;同时,同类样本间也可能在多个方面存在较大差异,较大的类内差异可能使样本特征偏离类别中心。针对上述可能严重影响图像分类性能的问题,提出一种采用特征图增强原型的小样本图像分类方法（FMEP）。首先,用余弦相似度从查询集样本特征图中选择部分相似特征加入类原型中,得到更具代表性的特征图增强原型;其次,对相似的查询集样本特征进行聚合,缓解类内差异大导致的问题,使同类样本的特征分布更接近;最后,用在特征空间中与真实类别分布都更接近的特征图增强原型和聚合查询特征进行相似度比较得到更优的分类结果。所提方法在MiniImageNet、TieredImageNet、CUB-200和CIFAR-FS等常用的小样本图像分类数据集上进行了实验,结果表明所提方法获得了比基线模型更优的分类性能,同时也优于同类型的小样本图像分类方法。     

多级度量网络的小样本学习

小样本学习的分类结果依赖于模型对样本特征的表达能力,为了进一步挖掘图像所表达的语义信息,提出一种多级度量网络的小样本学习方法。将输入图像的特征向量放入嵌入模块进行特征提取;将经过第二层卷积及第三层卷积得到的特征描述子分别进行图像-类的度量以获得图像关系得分,对第四层卷积得到的特征向量进行全连接并将其做图像-图像的度量从而得到图像从属概率;通过交叉验证对2个图像关系得分以及1个图像从属概率进行加权融合并输出分类结果。实验结果表明在miniImageNet数据集上,该方法 5-way 1-shot准确率为56.77%,5-way 5-shot准确率为75.83%。在CUB数据集上,该方法 5-way 1-shot及5-way 5-shot准确率分别上升到55.34%及76.32%。在Omniglot数据集上准确率同传统方法相比也有一定提升。因此,该方法可有效挖掘图像中所表达的语义信息,显著提高小样本图像分类的准确率。     

概念驱动的小样本判别特征学习方法

小样本学习旨在让模型能够在仅有少量标记数据的新类中进行分类。基于度量学习的方法是小样本学习的一种有效方法,该类方法利用有标签的支持集样本构建类表示,再基于查询样本和类表示的相似性进行分类。因此,如何构建判别性更强的类表示是这类方法的关键所在。多数工作在构建类表示时,忽略了类概念相关信息的挖掘,这样容易引入样本中类别无关信息,从而降低类表示的判别性。为此本文提出一种概念驱动的小样本判别特征学习方法。该方法首先利用类别的语义信息来指导模型挖掘样本中类概念相关信息,进而构建更具判别性的类表示。其次,设计了随机掩码混合机制增加样本的多样性和识别难度,进一步提升类表示的质量。最后对处于决策边界附近的查询样本赋予更大的权重,引导模型关注难样本,从而更好地进行类表示学习。大量实验的结果表明本文提出的方法能够有效提升小样本分类任务的准确率,并且在多个数据集上优于当前先进的算法。     

融合三元卷积神经网络与关系网络的小样本食品图像识别

食品识别在食品健康和智能家居等领域获得了广泛关注。目前大部分的食品识别工作是基于大规模标记样本的深度神经网络,这些工作无法有效地识别只有少量样本的类别,因此小样本食品识别是一个亟待解决的问题。目前基于度量学习的小样本识别方法着重于探究样本之间的相似度信息,忽略了类内与类间更加细粒度的区分。学习类内与类间区分信息的主流方法是基于线性度量函数的三元卷积神经网络,然而对于食品图像而言,线性度量函数的鉴别能力不足。为此,引入可学习的关系网络作为三元卷积神经网络的非线性度量函数,进一步提出了一种基于非线性度量的三元神经网络用于小样本食品识别方法。该方法使用三元神经网络学习图像的特征嵌入表示,然后采用鉴别能力更强的关系网络作为非线性度量函数,基于端到端的训练方式来学习类内与类间更加细粒度的区分信息。此外,提出了一种可以使模型训练更加稳定的三元组样本在线采样方案。通过在Food-101,VIREO Food-172和ChineseFoodNet食品数据集上的实验结果可知,相比基于孪生网络的小样本学习方法,所提方法的性能平均提高了3.0%,相比基于线性度量函数的三元神经网络的方法,所提方法的性能平均提升了1.0%。文中还探究了损失函数的阈值、三元组采样的参数和初始化方式对实验性能的影响。     

正态重采样的改进行人再识别度量学习算法

跨场景的行人再识别任务,现有度量学习算法由于小样本问题使得对模型参数的估计存在偏差,从而导致识别精度较低。在交叉二次判别分析度量学习算法的基础上,提出了一种基于样本正态性重采样算法,建立了半监督学习度量模型,以增强度量模型的泛化能力。综合泛化后的度量模型和交叉二次判别算法,构建了加权组合的联合模型。选取了公开数据集VIPeR和CUHK01进行测试,测试结果显示该算法相比于原交叉二次判别算法以及相关的行人再识别算法有着明显的优势,尤其在rank-1上的识别精度分别超过了MLAPG算法和NFST算法7.79%和4.68%,且该算法对于训练数据量的变化具有较强的鲁棒性。     

基于模糊推理的模糊原型网络

针对真实数据具有的模糊性和不确定性会严重影响小样本学习分类结果这一问题,改进并优化了传统的小样本学习原型网络,提出了基于模糊推理的模糊原型网络(FPN).首先,从卷积神经网络(CNN)和模糊神经网络两个方向分别获取图像特征信息;然后,对获得的两部分信息进行线性知识融合,得到最终的图像特征;最后,度量各个类别原型到查询集...     

融合弱监督目标定位的细粒度小样本学习

目的 小样本学习旨在通过一幅或几幅图像来学习全新的类别。目前许多小样本学习方法基于图像的全局表征,可以很好地实现常规小样本图像分类任务。但是,细粒度图像分类需要依赖局部的图像特征,而基于全局表征的方法无法有效地获取图像的局部特征,导致很多小样本学习方法不能很好地处理细粒度小样本图像分类问题。为此,提出一种融合弱监督目标定位的细粒度小样本学习方法。方法 在数据量有限的情况下,目标定位是一个有效的方法,能直接提供最具区分性的区域。受此启发,提出了一个基于自注意力的互补定位模块来实现弱监督目标定位,生成筛选掩膜进行特征描述子的筛选。基于筛选的特征描述子,设计了一种语义对齐距离来度量图像最具区分性区域的相关性,进而完成细粒度小样本图像分类。结果 在mini Image Net数据集上,本文方法在1-shot和5-shot下的分类精度相较性能第2的方法高出0.56%和5.02%。在细粒度数据集Stanford Dogs和Stanford Cars数据集上,本文方法在1-shot和5-shot下的分类精度相较性能第2的方法分别提高了4.18%,7.49%和16.13,5.17%。在CUB 200-...     

A fusion spatial attention approach for few-shot learning

Few-shot learning is a challenging problem in computer vision that aims to learn a new visual concept from very limited data. A core issue is that there is a large amount of uncertainty introduced by the small training set. For example, the few images may include cluttered backgrounds or different scales of objects. Existing approaches mostly address this problem from either the original image space or the embedding space by using meta-learning. To the best of our knowledge, none of them tackle this problem from both spaces jointly. To this end, we propose a fusion spatial attention approach that performs spatial attention in both image and embedding spaces. In the image space, we employ a Saliency Object Detection (SOD) module to extract the saliency map of an image and provide it to the network as an additional channel. In the embedding space, we propose an Adaptive Pooling (Ada-P) module tailored to few-shot learning that introduces a meta-learner to adaptively fuse local features of the feature maps for each individual embedding. The fusion process assigns different pooling weights to the features at different spatial locations. Then, weighted pooling can be conducted over an embedding to fuse local information, which can avoid losing useful information by considering the spatial importance of the features. The SOD and Ada-P modules can be used within a plug-and-play module and incorporated into various existing few-shot learning approaches. We empirically demonstrate that designing spatial attention methods for few-shot learning is a nontrivial task and our method has proven effective for it. We evaluate our method using both shallow and deeper networks on three widely used few-shot learning benchmarks, miniImageNet, tieredImageNet and CUB, and demonstrate very competitive performance.     

基于深度网络的快速少样本学习算法

少样本学习方法模拟人类从少量样本中学习的认知过程,已成为机器学习研究领域的热点.针对目前少样本学习迭代过程的任务量较大、过拟合现象严重等问题,文中提出基于深度网络的快速少样本学习算法.首先,利用核密度估计和图像滤波方法向训练集加入多种类型的随机噪声,生成支持集和查询集.再利用原型网络提取支持集和查询集图像特征,并根据Bregman散度,以每类支持集支持样本的中心点作为类原型.然后,使用L2范数度量支持集与查询图像的距离,利用交叉熵反馈损失,生成多个异构的基分类器.最后,采用投票机制融合基分类器的非线性分类结果.实验表明,文中算法能加快少样本学习收敛速度,分类准确率较高,鲁棒性较强.     

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。     

自监督学习下小样本遥感图像场景分类

目的 卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)在遥感场景图像分类中广泛应用,但缺乏训练数据依然是不容忽视的问题。小样本遥感场景分类是指模型只需利用少量样本训练即可完成遥感场景图像分类任务。虽然现有基于元学习的小样本遥感场景图像分类方法可以摆脱大数据训练的依赖,但模型的泛化能力依然较弱。为了解决这一问题,本文提出一种基于自监督学习的小样本遥感场景图像分类方法来增加模型的泛化能力。方法 本文方法分为两个阶段。首先,使用元学习训练老师网络直到收敛;然后,双学生网络和老师网络对同一个输入进行预测。老师网络的预测结果会通过蒸馏损失指导双学生网络的训练。另外,在图像特征进入分类器之前,自监督对比学习通过度量同类样本的类中心距离,使模型学习到更明确的类间边界。两种自监督机制能够使模型学习到更丰富的类间关系,从而提高模型的泛化能力。结果 本文在NWPU-RESISC45(North Western Polytechnical University-remote sensing image scene classification)、AID(aerial ima...     

结合记忆与迁移学习的小样本学习

小样本学习是视觉识别中的一个受关注的领域,旨在通过少量的数据来学习新的视觉概念。为了解决小样本问题,一些元学习方法提出从大量辅助任务中学习可迁移的知识并将其应用于目标任务上。为了更好地对知识进行迁移,提出了一种基于记忆的迁移学习方法。提出一种权重分解策略,将部分权重分解为冻结权重与可学习权重,在迁移学习中通过固定冻结权重,仅更新可学习权重的方式来减少模型需要学习的参数。通过一个额外的记忆模块来存储之前任务的经验,在学习新任务时,这些经验被用来初始化模型的参数状态,以此更好地进行迁移学习。通过在miniImageNet、tieredImageNet以及CUB数据集上的实验结果表明,相对于其他先进的方法,该方法在小样本分类任务上取得了具有竞争力甚至是更好的表现。     

基于注意力机制和图卷积的小样本分类网络

深度神经网络在有着大量标注数据的图像识别任务上已经占据了统治地位,但是在只有少量标注数据的数据集上训练一个好的网络仍然是一个据有挑战性的任务.如何从有限的标注数据中学习已经成为了一个有着很多应用场景的热点问题.目前有很多解决小样本分类任务的方法,但是仍然存在识别准确率低的问题,根本原因是在小样本学习中,神经网络只能接收少量有标签的数据,导致神经网络不能获取足够的用来识别的信息.因此,提出了一种基于注意力机制和图卷积网络的小样本分类模型.这个模型不仅能够更好地提取特征,而且能够充分利用提取的特征对目标图像进行分类.通过注意力机制,能够指导神经网络关注更有用的信息,而图卷积使得网络能够利用支撑集中其他类别的信息做出更准确的判断.经过大量的实验,证明了提出的模型在Omniglot数据集和mini-ImageNet数据集上的分类准确率都超过了基于传统神经网络的关系网络.     

面向小样本学习的轻量化知识蒸馏

小样本学习旨在模拟人类基于少数样例快速学习新事物的能力, 对解决样本匮乏情境下的深度学习任务具有重要意义. 但是, 在诸多计算资源有限的现实任务中, 模型规模仍可能限制小样本学习的广泛应用. 这对面向小样本学习的轻量化任务提出了现实的需求. 知识蒸馏作为深度学习领域广泛使用的辅助策略, 通过额外的监督信息实现模型间知识迁移, 在提升模型精度和压缩模型规模方面都有实际应用. 首先验证知识蒸馏策略在小样本学习模型轻量化中的有效性. 并结合小样本学习任务的特点, 针对性地设计两种新的小样本蒸馏方法: (1)基于图像局部特征的蒸馏方法; (2)基于辅助分类器的蒸馏方法. 在miniImageNet和TieredImageNet数据集上的相关实验证明所设计的新的蒸馏方法相较于传统知识蒸馏在小样本学习任务上具有显著优越性.     

基于少样本学习的通用隐写分析方法

近年来,深度学习在图像隐写分析任务中表现出了优越的性能.目前,大多数基于深度学习的图像隐写分析模型为专用型隐写分析模型,只适用于特定的某种隐写术.使用专用隐写分析模型对其他隐写算法的隐写图像进行检测,则需要该隐写算法的大量载密图像作为数据集对模型进行重新训练.但在实际的通用隐写分析任务中,隐写算法的大量载密图像数据集是难以得到的.如何在极少隐写图像样本的情况下训练通用隐写分析模型是一个极大的挑战.对此,受少样本学习领域研究成果的启发,提出了基于转导传播网络的通用隐写分析方法.首先,在已有的少样本学习分类框架上改进了特征提取部分,设计了多尺度特征融合网络,使少样本分类模型能够提取到更多的隐写分析特征,使其可用于基于秘密噪声残差等弱信息的分类任务;其次,针对少样本隐写分析模型难收敛的问题,提出了预训练初始化的方式得到具有先验知识的初始模型;然后,分别训练了频域和空域的少样本通用隐写分析模型,通过自测和交叉测试,结果表明,检测平均准确率在80%以上;接着,在此基础上,采用数据集增强的方式重新训练了频域、空域少样本通用隐写分析模型,使少样本通用隐写分析模型检测准确率与之前相比提高到87%以上;...