深度非对称离散跨模态哈希方法

大多数深度监督跨模态哈希方法采用对称的方式学习哈希码,导致其不能有效利用大规模数据集中的监督信息;并且对于哈希码的离散约束问题,常采用的基于松弛的策略会产生较大的量化误差,导致哈希码次优。针对以上问题,提出深度非对称离散跨模态哈希（DADCH）方法。首先构造了深度神经网络和字典学习相结合的非对称学习框架,以学习查询实例和数据库实例的哈希码,从而更有效地挖掘数据的监督信息,减少模型的训练时间;然后采用离散优化算法逐列优化哈希码矩阵,降低哈希码二值化的量化误差;同时为充分挖掘数据的语义信息,在神经网络中添加了标签层进行标签预测,并利用语义信息嵌入将不同类别的判别信息通过线性映射嵌入到哈希码中,增强哈希码的判别性。实验结果表明,在IAPR-TC12、MIRFLICKR-25K和NUS-WIDE数据集上,哈希码长度为64 bit时,所提方法在图像检索文本时的平均精度均值（mAP）较近年来提出的先进的深度跨模态检索方法——自监督对抗哈希（SSAH）分别高出约11.6、5.2、14.7个百分点。     

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。     

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.     

结合Transformer与非对称学习策略的图像检索

目的 图像检索是计算机视觉领域的一项基础任务,大多采用卷积神经网络和对称式学习策略,导致所需训练数据量大、模型训练时间长、监督信息利用不充分。针对上述问题,本文提出一种Transformer与非对称学习策略相结合的图像检索方法。方法 对于查询图像,使用Transformer生成图像的哈希表示,利用哈希损失学习哈希函数,使图像的哈希表示更加真实。对于待检索图像,采用非对称式学习策略,直接得到图像的哈希表示,并将哈希损失与分类损失相结合,充分利用监督信息,提高训练速度。在哈希空间通过计算汉明距离实现相似图像的快速检索。结果 在CIFAR-10和NUS-WIDE两个数据集上,将本文方法与主流的5种对称式方法和性能最优的两种非对称式方法进行比较,本文方法的mAP(mean average precision)比当前最优方法分别提升了5.06%和4.17%。结论 本文方法利用Transformer提取图像特征,并将哈希损失与分类损失相结合,在不增加训练数据量的前提下,减少了模型训练时间。所提方法性能优于当前同类方法,能够有效完成图像检索任务。     

一种等量约束聚类的无监督蒸馏哈希图像检索方法

为了进一步降低无监督深度哈希检索任务中的伪标签噪声,提出了一种等量约束聚类的无监督蒸馏哈希图像检索方法。该方法主要分为两个阶段,在第一阶段中,主要对无标签图像进行软伪标签标注,用于第二阶段监督哈希特征学习,通过所提等量约束聚类算法,在软伪标签标注过程中可以有效降低伪标签中的噪声;在第二阶段中,主要对学生哈希网络进行训练,用于提取图像哈希特征。通过所提出的无监督蒸馏哈希方法,利用图像软伪标签指导哈希特征学习,进一步提高了哈希检索性能,实现了高效的无监督哈希图像检索。为了评估所提方法的有效性,在CIFAR-10、FLICKR25K和EuroSAT三个公开数据集上进行了实验,并与其他先进方法进行了比较。在CIFAR-10数据集上,与TBH方法相比,所提方法检索精度平均提高12.7%;在FLICKR25K数据集上,与DistillHash相比,所提方法检索精度平均提高1.0%;在EuroSAT数据集上,与ETE-GAN相比,所提方法检索精度平均提高16.9%。在三个公开数据集上进行的实验结果表明,所提方法能够实现高性能的无监督哈希检索,且对各类数据均有较好的适应性。     

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。     

基于知识蒸馏的深度无监督离散跨模态哈希

跨模态哈希因其低存储花费和高检索效率得到了广泛的关注。现有的大部分跨模态哈希方法需要额外的手工标签来提供实例间的关联信息,然而,预训练好的深度无监督跨模态哈希方法学习到的深度特征同样能提供相似信息;且哈希码学习过程中放松了离散约束,造成较大的量化损失。针对以上两个问题,提出基于知识蒸馏的深度无监督离散跨模态哈希（DUDCH）方法。首先,结合知识蒸馏中知识迁移的思想,利用预训练无监督老师模型潜藏的关联信息以重构对称相似度矩阵,从而代替手工标签帮助有监督学生模型训练;其次,采用离散循环坐标下降法（DCC）迭代更新离散哈希码,以此减少神经网络学习到的实值哈希码与离散哈希码间的量化损失;最后,采用端到端神经网络作为老师模型,构建非对称神经网络作为学生模型,从而降低组合模型的时间复杂度。在两个常用的基准数据集MIRFLICKR-25K和NUS-WIDE上的实验结果表明,该方法相较于深度联合语义重构哈希（DJSRH）方法在图像检索文本/文本检索图像两个任务上的平均精度均值（mAP）分别平均提升了2.83个百分点/0.70个百分点和6.53个百分点/3.95个百分点,充分体现了其在大规模跨模态数据检索中的有效性。     

基于大批量训练和正交正则化的跨模态哈希方法

基于深度学习的跨模态哈希方法都使用小批量训练方式来训练模型,然而小批量方式在每次更新参数时获取样本数量有限,不能得到很好的梯度,影响最终训练的模型检索性能。针对此问题,提出了一个新的跨模态哈希方法。该方法使用大批量方式进行训练,并引入正交正则化来增加大批量训练的稳定性;同时考虑了哈希码的离散性,将哈希码与特征之间的距离加入到目标函数中,使得哈希码能够更加真实地表示数据。在两个广泛使用的跨模态检索数据集上的实验表明,该方法比现有的几种哈希方法具有更好的性能。     

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。     

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。     

面向大规模胸片图像的深度哈希检索

目的 医学图像检索在疾病诊断、医疗教学和辅助症状参考中发挥了重要作用,但由于医学图像类间相似度高、病灶易遗漏以及数据量较大等问题,使得现有哈希方法对病灶区域特征的关注较少,图像检索准确率较低。对此,本文以胸部X-ray图像为例,提出一种面向大规模胸片图像的深度哈希检索网络。方法 在特征学习部分,首先采用ResNet-50作为主干网络对输入图像进行特征提取得到初步特征,将该特征进行细化后获得全局特征;同时将初步特征输入构建的空间注意模块,该注意模块结合了3个描述符用于聚焦胸片图像中的显著区域,将该模块的输出进行细化得到局部特征;最后融合全局特征与局部特征用于后续哈希码优化。在哈希码优化部分,使用定义的二值交叉熵损失、对比损失和正则化损失的联合函数进行优化学习,生成高质量的哈希码用于图像检索。结果 为了验证方法的有效性,在公开的ChestX-ray8和CheXpert数据集上进行对比实验。结果显示,构建空间注意模块有助于关注病灶区域,定义特征融合模块有效避免了信息的遗漏,联合3个损失函数进行优化可以获得高质量哈希码。与当前先进的医学图像检索方法比较,本文方法能够有效提高医学图像检索的准确率...     

噪声鲁棒的轻量级深度遥感场景图像分类检索

目的 基于深度神经网络的遥感图像处理方法在训练过程中往往需要大量准确标注的数据,一旦标注数据中存在标签噪声,将导致深度神经网络性能显著降低。为了解决噪声造成的性能下降问题,提出了一种噪声鲁棒的轻量级深度遥感场景图像分类检索方法,能够同时完成分类和哈希检索任务,有效提高深度神经网络在有标签噪声遥感数据上的分类和哈希检索性能。方法 选取轻量级神经网络作为骨干网,而后设计能够同时完成分类和哈希检索任务的双分支结构,最后通过设置损失基准的正则化方法,有效减轻模型对噪声的过拟合,得到噪声鲁棒的分类检索模型。结果 本文在两个公开遥感场景数据集上进行分类测试,并与8种方法进行比较。本文方法在AID（aerial image datasets）数据集上,所有噪声比例下的分类精度比次优方法平均高出7.8%,在NWPU-RESISC45（benchmark created by Northwestern Polytechnical University for remote sensing image scene classification covering 45 scene classes）数据集上,分类精度比次优方法平均高出8.1%。在效率方面,本文方法的推理速度比CLEOT（classification loss with entropic optimal transport）方法提升了2.8倍,而计算量和参数量均不超过CLEOT方法的5%。在遥感图像哈希检索任务中,在AID数据集上,本文方法的平均精度均值（mean average precision,mAP）在3种不同哈希比特下比MiLaN（metric-learning based deep hashing network）方法平均提高了5.9%。结论 本文方法可以同时完成遥感图像分类和哈希检索任务,在保持模型轻量高效的情况下,有效提升了深度神经网络在有标签噪声遥感数据上的鲁棒性。     

Deep and fast: Deep learning hashing with semi-supervised graph construction

Learning-based hashing methods are becoming the mainstream for approximate scalable multimedia retrieval. They consist of two main components: hash codes learning for training data and hash functions learning for new data points. Tremendous efforts have been devoted to designing novel methods for these two components, i.e., supervised and unsupervised methods for learning hash codes, and different models for inferring hashing functions. However, there is little work integrating supervised and unsupervised hash codes learning into a single framework. Moreover, the hash function learning component is usually based on hand-crafted visual features extracted from the training images. The performance of a content-based image retrieval system crucially depends on the feature representation and such hand-crafted visual features may degrade the accuracy of the hash functions. In this paper, we propose a semi-supervised deep learning hashing (DLH) method for fast multimedia retrieval. More specifically, in the first component, we utilize both visual and label information to learn an optimal similarity graph that can more precisely encode the relationship among training data, and then generate the hash codes based on the graph. In the second stage, we apply a deep convolutional network to simultaneously learn a good multimedia representation and a set of hash functions. Extensive experiments on five popular datasets demonstrate the superiority of our DLH over both supervised and unsupervised hashing methods.     

具有性能感知排序的深度监督哈希用于多标签图像检索

现实生活中的图像大多具有多种标签属性。对于多标签图像,理想情况下检索到的图像应该按照与查询图像相似程度降序排列,即与查询图像共享的标签数量依次递减。然而,大多数哈希算法主要针对单标签图像检索而设计的,而且现有用于多标签图像检索的深度监督哈希算法忽略了哈希码的排序性能且没有充分地利用标签类别信息。针对此问题,提出了一种具有性能感知排序的深度监督哈希方法（deep supervised hashing with performance-aware ranking,PRDH）,它能够有效地感知和优化模型的性能,改善多标签图像检索的效果。在哈希学习部分,设计了一种排序优化损失函数,以改善哈希码的排序性能;同时,还加入了一种空间划分损失函数,将具有不同数量的共享标签的图像划分到相应的汉明空间中;为了充分地利用标签信息,还鲜明地提出将预测标签用于检索阶段的汉明距离计算,并设计了一种用于多标签分类的损失函数,以实现对汉明距离排序的监督与优化。在三个多标签基准数据集上进行的大量检索实验结果表明,PRDH的各项评估指标均优于现有先进的深度哈希方法。     

基于串行编码校验的深度哈希图像检索

现有基于深度学习的哈希图像检索方法通常使用全连接作为哈希编码层,并行输出每一位哈希编码,这种方法将哈希编码都视为图像的信息编码,忽略了编码过程中哈希码各个比特位之间的关联性与整段编码的冗余性,导致网络编码性能受限.因此,本文基于编码校验的原理,提出了串行哈希编码的深度哈希方法——串行哈希编码网络(serial hashing network, SHNet).与传统的哈希编码方法不同, SHNet将哈希编码网络层结构设计为串行方式,在生成哈希码过程中对串行生成的前部分哈希编码进行校验,从而充分利用编码的关联性与冗余性生成信息量更为丰富、更加紧凑、判别力更强的哈希码.采用mAP作为检索性能评价标准,将本文所提方法与目前主流哈希方法进行比较,实验结果表明本文在不同哈希编码长度下的m AP值在3个数据集CIFAR-10、Image Net、NUS-WIDE上都优于目前主流深度哈希算法,证明了其有效性.     

基于深度多相似性哈希方法的遥感图像检索

哈希方法由于低存储、高效率的特性而被广泛应用于遥感图像检索领域。面向遥感图像检索任务的无监督哈希方法存在伪标签不可靠、图像对的训练权重相同以及图像检索精度较低等问题,为此,提出一种基于深度多相似性哈希（DMSH）的遥感图像检索方法。针对优化伪标签和训练关注度分别构建自适应伪标签模块（APLM）和成对结构信息模块（PSIM）。APLM采用K最近邻和核相似度来评估图像间的相似关系,实现伪标签的初始生成和在线校正。PSIM将图像对的多尺度结构相似度映射为训练关注度,为其分配不同的训练权重从而优化深度哈希学习。DMSH通过Swin Transformer骨干网络提取图像的高维特征,将基于语义相似矩阵的伪标签作为监督信息以训练深度网络,同时网络在两个基于不同相似度设计的模块上实现交替优化,充分挖掘图像间的多种相似信息进而生成具有高辨识力的哈希编码,实现遥感图像的高精度检索。实验结果表明,DMSH在EuroSAT和PatternNet数据集上的平均精度均值较对比方法分别提高0.8%～3.0%和9.8%～12.5%,其可以在遥感图像检索任务中取得更高的准确率。