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。     

多层自适应聚合的自监督小样本图像分类

目的 在图像分类领域,小样本学习旨在利用从大规模数据集中训练到的知识来处理仅包含少量有标记训练样本的下游分类任务。通常情况下,下游任务只涉及新类样本,由于元训练阶段会构造大量任务随机抽取训练集中不同类别的样本且训练集与测试集类别间存在领域间隙,因此模型训练周期长且可能对训练集过拟合,以致元知识无法迁移到测试集,进而导致模型泛化性差。针对以上问题,提出一种多层自适应聚合的自监督小样本图像分类模型。方法 首先使用分组卷积对残差块进行改进,减少神经网络参数量,降低训练难度,缩短训练时间;然后采用多层自适应聚合的方法改进骨干网络,对网络各层语义信息加以提炼聚合,自适应分配各层权重,将聚合后的特征图作为后续分类的依据;最后加入自监督对比学习结合有监督学习挖掘样本自身潜在的信息,从而提升样本特征表达能力。结果 在mini-ImageNet数据集和CUB(Caltech-UCSD birds-200-2011)数据集上与当前主流模型进行分类效果对比实验,与baseline相比,所提模型的准确率在mini-ImageNet数据集的5-way 1-shot与5-way 5-shot实验上分别提升了6.3...     

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。     

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。     

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-...     

基于小样本学习融合随机深度和多尺度卷积的SDM-RNET网络

针对神经网络难以利用少量标注数据获取足够的信息来正确分类图像的问题,提出了一种融合随机深度网络和多尺度卷积的关系网络——SDM-RNET.首先在模型嵌入模块引入随机深度网络用于加深模型深度,然后在特征提取阶段采用多尺度深度可分离卷积替代普通卷积进行特征融合,经过骨干网络后再采用深浅层特征融合获取更丰富的图像特征,最终学习预测出图像的类别.在mini-ImageNet、RP2K、Omniglot这3个数据集上对比该方法与其他小样本图像分类方法,结果表明在5-way 1-shot和5-way 5-shot分类任务上该方法准确率最高.     

基于多分辨率自蒸馏网络的小样本图像分类

因图像数据具有大量的空间冗余信息,传统的多分辨率网络在处理图像数据时会产生较高的计算成本。而自蒸馏学习方法能够在精度与计算成本之间实现动态平衡,使模型在不增加网络深度和宽度的基础上,有效地提高模型精度。提出一种多分辨率自蒸馏网络（MRSDN）,用于解决小样本学习中输入样本的空间冗余问题。从原始网络中分出一个浅层子网络以识别图像的低分辨率表示,并且保持该原始网络识别高分辨率图像特征的能力。同时,在多分辨率网络中引入改进的全局注意力机制,以减少信息损失且放大全局交互表示。利用自蒸馏学习方法将网络中更深层的知识压缩到浅层子网络中,以提升浅层子网络的泛化能力。在此基础上,将低分辨率网络中的粗粒度特征融合到高分辨率网络中,从而提高模型提取图像特征的能力。实验结果表明,在Mini-ImageNet数据集上MRSDN网络对5-way 1-shot与5-way 5-shot任务的准确率分别为56.34%和74.35%,在Tiered-ImageNet数据集上对5-way 1-shot与5-way 5-shot任务的准确率分别为59.56%和78.96%,能有效缓解高分辨率图像输入时的空间冗余问题,提高小样本图像分类的准确率。     

基于多尺度标签传播的小样本图像分类

在小样本条件下,由于低数据问题,即标记数据较少且难以收集,采用传统的深度学习很难训练出一个好的分类器.最近的研究中,基于低维局部信息度量方法和标签传播网络(transductive propagation network, TPN)算法取得了较好的分类效果,并且局部信息可以很好地度量特征与特征之间的关系,但是低数据问题依然存在.为了解决低数据问题,提出基于多尺度的标签传播网络(multi-scale label propagation network, MSLPN)方法,其核心思想在于利用多尺度生成器生成多个尺度的图像特征,通过关系度量模块获得多个不同尺度特征下的样本相似性得分,并通过集成不同尺度的相似性得分获得分类结果,具体地,方法首先通过多尺度生成器生成不同尺度的图像特征,然后利用多尺度信息的相似性得分进行标签传播,最后通过多尺度标签传播结果计算获得分类结果.与TPN相比,在数据集miniImageNet上,5-way 1-shot和5-way 5-shot设置中的分类准确率分别提高了2.77%和4.02%;在数据集tieredImageNet上,5-way 1-shot和5-wa...     

基于对比学习的小样本金属表面损伤分类

现有小样本分类方法局限于从每轮支持信息中归纳出类内共性,忽略了在迭代过程中类间关联性以及样本本身携带的类别信息。由于金属损伤纹理细微、多变,因此所形成的特征分布类间距离小、类内距离大。因特征分布聚合性差导致小样本分类性能降低且新类泛化性变差,提出一种基于内外双层训练模型架构的小样本金属表面损伤分类方法。内模型在利用度量手段完成元分类任务的同时,引入双模态特征作为外模型特征空间的信号,即在新映射空间下利用类别标签信息有监督地对比不同类别的图像特征、优化特征分布,使类间区分度更大、类内聚合度更高。在训练阶段中外模型反传对比损失,间接加强原有特征空间的表征能力,从而提高内模型的度量水平,提升分类精度。同时,利用类别嵌入作为动态类别中心,可以有效减少小样本问题中的噪声干扰,加强模型泛化性能。在GC10、NEU及APSD 3个常用的金属损伤数据集上的实验结果表明,相比ProtoNet、MatchingNet、RelationNet等主流方法,该方法具有较优的分类精度,特别是新类别的泛化能力得到大幅提升,5-way 5-shot设定下分类精度至少提高了5.24、1.39和6.37个百分点,分类错误...     

结合多尺度特征与掩码图网络的小样本学习

对样本所含信息的提取能力决定网络模型进行小样本分类的效果,为了进一步提高模型挖掘信息的能力,提出一种结合多尺度特征与掩码图网络的小样本学习方法。设计由1×1卷积、全局平均池化和跳跃连接组成的最小残差神经网络块,与卷积块拼接成特征提取器,以提取样本不同尺度的特征,并通过注意力机制将不同尺度特征融合;使用融合的多尺度特征构建包含结点与边特征的图神经网络,并在其中加入一个元学习器（meta-learner）用于生成边的掩码,通过筛选边特征来指导图结点聚类与更新,进一步强化样本特征;通过特征贡献度和互斥损失改进类在嵌入空间表达特征的求解过程,提升模型度量学习能力。在MiniImagenet数据集上,该方法 1-shot准确率为61.4%,5-shot准确率为78.6%,分别超过传统度量学习方法 12.0个百分点与10.4个百分点;在Cifar-100数据集上分别提升9.7个百分点和6.0个百分点。该方法有效提升了小样本学习场景下的模型分类准确率。     

基于特征分段度量方法的少样本学习

已有的基于度量方法的少样本学习直接在元学习框架下优化模型以在少样本任务上获得好的表现，但这种直接通过元学习策略训练得到的特征表示传递性较弱，从而限制了度量方法的分类能力。针对该问题提出一种新的模型结构，包括特征映射模块和分段度量模块。在基类数据上预先训练分类器并迁移到元学习的特征提取模块；在元学习阶段，对提取到的特征分多段进行余弦相似度的计算，以预测类别。实验在mini-imagenet数据集的5-way 1-shot和5-way 5-shot情况下分别达到64.33%和80.11%的准确率，在复杂场景下具有更好的识别效果。     

基于Transformer的三维模型小样本识别方法

针对三维模型的分类问题，提出一种基于Transformer的三维（3D）模型小样本识别方法。首先，将支持和查询样本的3D点云模型输入特征提取模块中，以得到特征向量；然后，在Transformer模块中计算支持样本的注意力特征；最后，利用余弦相似性网络，计算查询与支持样本的关系分数。在ModelNet 40数据集上，相较于两层长短期记忆（Dual-LSTM）方法，所提方法的5-way 1-shot和5-way 5-shot的识别准确率分别提高了34.54和21.00个百分点；同时，所提方法在ShapeNet Core数据集上也取得了较高的准确率。实验结果表明，所提方法能够更准确地识别全新的3D模型类别。     

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...     

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。     

基于多尺度混合注意力与度量融合的小样本行人重识别

针对行人重识别中可用行人图像不足导致的小样本问题,以双相似网络为基础,提出一种基于多尺度混合注意力与度量融合的小样本行人重识别方法.首先,将多尺度混合注意力机制引入特征嵌入模块,即在不同尺度层内的特征提取中引入空间注意力,在不同尺度层间的特征融合中引入通道注意力,实现更具判别力的小样本行人特征提取;然后,在度量模块,提出欧氏距离与余弦距离融合的双重度量方法,实现行人特征的空间绝对距离和方向差异的综合度量,提升行人相似性度量的可靠性;接着,采用双重度量方式和关系度量方式,分别获得行人特征的相似度得分;最后,通过加权融合获得联合度量得分,构建联合损失实现网络的整体优化和训练.在Market-mini、Duke-mini和MSMT17-mini三个小型数据集上的实验表明,所提出方法在5-way 1-shot和5-way 5-shot两种模式下的平均识别准确率分别达到90.40%和95.69%、86.77%和94.96%、71.08%和82.63%,与其他小样本学习算法相比,识别性能有较大提升.     

融合多注意力机制的自监督小样本医学图像分割

主流的基于全监督的深度学习分割模型在丰富的标记数据上训练时可以取得良好的效果,但医疗图像领域的图像分割存在标注成本高、分割目标种类多的问题,且往往缺少足够的标注数据。提出一个模型,通过融合自监督从数据中提取标签,利用超像素表征图像特性,进行小样本标注条件下的图像分割。引入多注意力机制使得模型更多关注图像的空间特征,位置注意模块和通道注意模块致力于单一图像内部的多尺度特征融合,而外部注意力模块显著突出了不同样本间的联系。在CHAOS健康腹部器官数据集上进行实验,1-shot极端情况下DSC达0.76,相较baseline分割结果提升3%左右。通过调整N-way-K-shot任务数来探讨小样本学习的意义,在7-shot设置下DSC有显著提升,与基于全监督的深度学习分割效果的差距在可接受范围内。     

基于小样本学习的图像分类技术综述

图像分类的应用场景非常广泛,很多场景下难以收集到足够多的数据来训练模型,利用小样本学习进行图像分类可解决训练数据量小的问题.本文对近年来的小样本图像分类算法进行了详细综述,根据不同的建模方式,将现有算法分为卷积神经网络模型和图神经网络模型两大类,其中基于卷积神经网络模型的算法包括四种学习范式:迁移学习、元学习、对偶学习...     

基于多特征融合的小样本视频行为识别算法

现有基于小样本学习的视频行为识别方法,在解决小样本学习中信息量稀缺问题时存在信息重复度高以及类间相似性大等不足,而且鲜有关注小样本学习中的域偏移与枢纽点问题,从而导致动作类表达能力弱和行为识别中错误分类的问题,此外,复杂的网络结构导致参数量与计算量成倍增加.针对以上问题,本文提出一种基于多特征融合的小样本视频行为识别算法,具体来说,该方法提出深度特征与流形特征的融合策略.首先,针对特征形式之一的流形特征,提出使用表征传播对流形结构进行平滑操作,更好地缓解了小样本学习中的域偏移与枢纽点问题.其次,通过同时使用对视频特征表达能力不同的深度特征与流形特征,获得更多的样本有效信息,进而缓解小样本学习中样本稀缺的问题.最后,为减小模型的参数量与计算量,选择基于2D方法构建模型.在HMDB51、UCF101以及Kinetics三个数据集上进行实验,结果表明,本文方法在“5-way 1-shot”任务下表现突出,识别率优于现有的小样本视频行为识别方法,在HMDB51上提高了8.5%,在UCF101上提高了9.5%,在Kinetics上提高了1.0%.     

多尺度特征融合与交叉指导的小样本语义分割

目的 构建支持分支和查询分支间的信息交互对于提升小样本语义分割的性能具有重要作用,提出一种多尺度特征融合与交叉指导的小样本语义分割算法。方法 利用一组共享权重的主干网络将双分支输入图像映射到深度特征空间,并将输出的低层、中间层和高层特征进行尺度融合,构造多尺度特征;借助支持分支的掩码将支持特征分解成目标前景和背景特征图;设计了一种特征交互模块,在支持分支的目标前景和整个查询分支的特征图上建立信息交互,增强任务相关特征的表达能力,并利用掩码平均池化策略生成目标前景和背景区域的原型集;利用无参数的度量方法分别计算支持特征和原型集、查询特征与原型集之间的余弦相似度值,并根据相似度值给出对应图像的掩码。结果 通过在PASCAL-5（i pattern analysis,statistical modeling and computational learning）和COCO-20i（common objects in context）开源数据集上进行实验,结果表明,利用VGG-16（Visual Geometry Group）、ResNet-50（residual neural network）和ResNet-101作为主干网络时,所提模型在1-way 1-shot任务中,分别获得50.2%、53.2%、57.1%和23.9%、35.1%、36.4%的平均交并比（mean intersection over union,mIoU）,68.3%、69.4%、72.3%/和60.1%、62.4%、64.1%的前景背景二分类交并比（foreground and background intersection over union,FB-IoU）;在1-way 5-shot任务上,分别获得52.9%、55.7%、59.7%和32.5%、37.3%、38.3%的mIoU,69.7%、72.5%、74.6%和64.2%、66.2%、66.7%的FB-IoU。结论 相比当前主流的小样本语义分割模型,所提模型在1-way 1-shot和1-way5-shot任务中可以获得更高的mIoU和FB-IoU,综合性能提升效果显著。     

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。