联合模态语义相似度修正的无监督跨模态哈希

基于哈希编码的无监督跨模态检索方法以其存储代价低、检索速度快、无需人工标注信息的优点受到了广泛的关注.最近的方法通过融合各模态的相似度信息构建联合模态相似度矩阵，用以指导哈希编码网络的学习.然而，这些方法未考虑数据特征空间的流形结构差异对相似度的影响而引入了噪声降低了模型的检索性能.本文提出了一种基于联合模态语义相似度修正的无监督跨模态哈希方法(JSSR),引入特征空间中的流形结构信息修正相似度矩阵中的噪声信息，同时增强语义相关样本的亲和力，使得生成的哈希码更具判别性和区分度.在典型的公开数据集NUS-WIDE和MIR Flickr上的实验结果表明，JSSR在跨模态检索精度上超越了现有的方法.     

语义保持哈希在跨模态检索中的应用

哈希表示能够节省存储空间,加快检索速度,所以基于哈希表示的跨模态检索已经引起广泛关注。多数有监督的跨模态哈希方法以一种回归或图约束的方式使哈希编码具有语义鉴别性,然而这种方式忽略了哈希函数的语义鉴别性,从而导致新样本不能获得语义保持的哈希编码,限制了检索准确率的提升。为了同时学习具有语义保持的哈希编码和哈希函数,提出一种语义保持哈希方法用于跨模态检索。通过引入两个不同模态的哈希函数,将不同模态空间的样本映射到共同的汉明空间。为使哈希编码和哈希函数均具有较好的语义鉴别性,引入了语义结构图,并结合局部结构保持的思想,将哈希编码和哈希函数的学习融合到同一个框架,使两者同时优化。三个多模态数据集上的大量实验证明了该方法在跨模态检索任务的有效性和优越性。     

基于多级语义的判别式跨模态哈希检索算法

针对大多数跨模态哈希方法采用二进制矩阵表示相关程度,因此无法捕获多标签数据之间更深层的语义信息,以及它们忽略了保持语义结构和数据特征的判别性等问题,提出了一种基于多级语义的判别式跨模态哈希检索算法——ML-SDH。所提算法使用多级语义相似度矩阵发现跨模态数据中的深层关联信息,同时利用平等指导跨模态哈希表示在语义结构和判别分类中的关联关系,不仅实现了对蕴含高级语义信息的多标签数据进行编码的目的,而且构建的保留多级语义的结构能够确保最终学习的哈希码在保持语义相似度的同时又具有判别性。在NUS-WIDE数据集上,哈希码长度为32 bit时,所提算法在两个检索任务中的平均准确率（mAP）比深度跨模态哈希（DCMH）、成对关联哈希（PRDH）、平等指导判别式哈希（EGDH）算法分别高出了19.48,14.50,1.95个百分点和16.32,11.82,2.08个百分点。     

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。     

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.     

成对相似度迁移哈希用于无监督跨模态检索

哈希编码能够节省存储空间、提高检索效率,已引起广泛关注.提出一种成对相似度迁移哈希方法(pairwise similarity transferring hash,PSTH)用于无监督跨模态检索.对于每个模态,PSTH将可靠的模态内成对相似度迁移到汉明空间,使哈希编码继承原始空间的成对相似度,从而学习各模态数据对应的哈希编码;此外,PSTH重建相似度值而不是相似度关系,使得训练过程可以分批进行;与此同时,为缩小不同模态间的语义鸿沟,PSTH最大化模态间成对相似度.在三个公开数据集上进行了大量对比实验,PSTH取得了SOTA的效果.     

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。     

语义嵌入重构的跨模态哈希检索

针对大多数跨模态哈希检索方法仅通过分解相似矩阵或标签矩阵,从而导致标签语义信息利用不充分、标签矩阵分解过程语义信息丢失以及哈希码鉴别能力差的问题,提出了一种语义嵌入重构的跨模态哈希检索方法。该方法首先通过最小化标签成对距离和哈希码成对距离之间的距离差,从而将标签矩阵的成对相似性嵌入哈希码;接着对标签矩阵分解并重构学得共同子空间,共同子空间再回归生成哈希码,从而将标签矩阵的类别信息嵌入哈希码,并有效地控制标签矩阵分解过程的语义信息丢失情况,进一步提高哈希码的鉴别能力。在公开的三个基准数据集上进行了多个实验,实验结果验证了该方法的有效性。     

跨模态检索技术研究综述

跨模态检索可以通过一种模态检索出其他模态的信息,已经成为大数据时代的研究热点。研究者基于实值表示和二进制表示两种方法来减小不同模态信息的语义差距并进行有效的相似度对比,但仍会有检索效率低或信息丢失的问题。目前,如何进一步提高检索效率和信息利用率是跨模态检索研究面临的关键挑战。介绍了跨模态检索研究中基于实值表示和二进制表示两种方法的发展现状;分析对比了包含两种表示技术下以建模技术和相似性对比为主线的五种跨模态检索方法：子空间学习、主题统计模型学习、深度学习、传统哈希和深度哈希;对最新的多模态数据集进行总结,为相关的研究和工程人员提供有价值的参考资料;分析了跨模态检索面临的挑战并指出了该领域未来研究方向。     

基于模态语义增强的跨模态食谱检索方法

在跨模态食谱检索任务中,如何有效地对模态进行特征表示是一个热点问题。目前一般使用两个独立的神经网络分别获取图像和食谱的特征,通过跨模态对齐实现跨模态检索。但这些方法主要关注模态内的特征信息,忽略了模态间的特征交互,导致部分有效模态信息丢失。针对该问题,提出一种通过多模态编码器来增强模态语义的跨模态食谱检索方法。首先使用预训练模型提取图像和食谱的初始语义特征,并借助对抗损失缩小模态间差异;然后利用成对跨模态注意力使来自一个模态的特征反复强化另一个模态的特征,进一步提取有效信息;接着采用自注意力机制对模态的内部特征进行建模,以捕捉丰富的模态特定语义信息和潜在关联知识;最后,引入三元组损失最小化同类样本间的距离,实现跨模态检索学习。在Recipe 1M数据集上的实验结果表明,该方法在中位数排名(MedR)和前K召回率(R@K)等方面均优于目前的主流方法,为跨模态检索任务提供了有力的解决方案。     

Towards learning a semantic-consistent subspace for cross-modal retrieval

A great many of approaches have been developed for cross-modal retrieval, among which subspace learning based ones dominate the landscape. Concerning whether using the semantic label information or not, subspace learning based approaches can be categorized into two paradigms, unsupervised and supervised. However, for multi-label cross-modal retrieval, supervised approaches just simply exploit multi-label information towards a discriminative subspace, without considering the correlations between multiple labels shared by multi-modalities, which often leads to an unsatisfactory retrieval performance. To address this issue, in this paper we propose a general framework, which jointly incorporates semantic correlations into subspace learning for multi-label cross-modal retrieval. By introducing the HSIC-based regularization term, the correlation information among multiple labels can be not only leveraged but also the consistency between the modality similarity from each modality is well preserved. Besides, based on the semantic-consistency projection, the semantic gap between the low-level feature space of each modality and the shared high-level semantic space can be balanced by a mid-level consistent one, where multi-label cross-modal retrieval can be performed effectively and efficiently. To solve the optimization problem, an effective iterative algorithm is designed, along with its convergence analysis theoretically and experimentally. Experimental results on real-world datasets have shown the superiority of the proposed method over several existing cross-modal subspace learning methods.

     

基于语义关系图的跨模态张量融合网络的图像文本检索

跨模态图像文本检索的难点是如何有效地学习图像和文本间的语义相关性。现有的大多数方法都是学习图像区域特征和文本特征的全局语义相关性或模态间对象间的局部语义相关性,而忽略了模态内对象之间的关系和模态间对象关系的关联。针对上述问题,提出了一种基于语义关系图的跨模态张量融合网络（CMTFN-SRG）的图像文本检索方法。首先,采用图卷积网络（GCN）学习图像区域间的关系并使用双向门控循环单元（Bi-GRU）构建文本单词间的关系;然后,将所学习到的图像区域和文本单词间的语义关系图通过张量融合网络进行匹配以学习两种不同模态数据间的细粒度语义关联;同时,采用门控循环单元（GRU）学习图像的全局特征,并将图像和文本的全局特征进行匹配以捕获模态间的全局语义相关性。将所提方法在Flickr30K和MS-COCO两个基准数据集上与多模态交叉注意力（MMCA）方法进行了对比分析。实验结果表明,所提方法在Flickr30K测试集、MS-COCO1K测试集以及MS-COCO5K测试集上文本检索图像任务的Recall@1分别提升了2.6%、9.0%和4.1%,召回率均值（mR）分别提升了0.4、1.3和0.1个百分点,可见该方法能有效提升图像文本检索的精度。     

胸部X线影像和诊断报告的双塔跨模态检索

针对现有胸部X线影像和诊断报告跨模态方法重点聚焦全局信息对齐,忽视影像和诊断报告间的细粒度语义关联,导致检索精度低、匹配度差的问题,提出全局和局部联合对齐的胸部X线影像和诊断报告双塔跨模态检索方法（CDTCR）。具体来说,针对细粒度语义表征,提出由残差网络组成的影像编码器学习影像的细粒度特征和由Transformer构成的BERT模型学习诊断报告的细粒度语义特征;针对细粒度语义关联问题,设计影像对句子和区域对词组两个不同粒度的模态间信息对齐策略,解决了不同模态间细粒度语义关联不足的问题。大型医学数据集MIMIC-CXR上的实验结果表明,CDTCR比现有的跨模态检索方法,检索精度更高、可解释性更强。     

多负例对比机制下的跨模态表示学习

为了有效地获取到更有区别性的跨模态表示,提出了一种基于多负例对比机制的跨模态表示学习方法——监督对比的跨模态表示学习（supervised contrastive cross-modal representation learning,SCCMRL）,并将其应用于视觉模态和听觉模态上。SCCMRL分别通过视觉编码器和音频编码器提取得到视听觉特征,利用监督对比损失让样本数据与其多个负例进行对比,使得相同类别的视听觉特征距离更近,不同类别的视听觉特征距离更远。此外,该方法还引入了中心损失和标签损失来进一步保证跨模态表示间的模态一致性和语义区分性。为了验证SCCMRL方法的有效性,基于SCCMRL方法构建了相应的跨模态检索系统,并结合Sub_URMP和XmediaNet数据集进行了跨模态检索实验。实验结果表明,SCCMRL方法相较于当前常用的跨模态检索方法取得了更高的mAP值,同时验证了多负例对比机制下的跨模态表示学习具有可行性。     

基于虚拟属性学习的文本-图像行人检索方法

文本-图像行人检索旨在从行人数据库中查找符合特定文本描述的行人图像.近年来受到学术界和工业界的广泛关注.该任务同时面临两个挑战:细粒度检索以及图像与文本之间的异构鸿沟.部分方法提出使用有监督属性学习提取属性相关特征,在细粒度上关联图像和文本.然而属性标签难以获取,导致这类方法在实践中表现不佳.如何在没有属性标注的情况下提取属性相关特征,建立细粒度的跨模态语义关联成为亟待解决的关键问题.为解决这个问题,融合预训练技术提出基于虚拟属性学习的文本-图像行人检索方法,通过无监督属性学习建立细粒度的跨模态语义关联.第一,基于行人属性的不变性和跨模态语义一致性提出语义引导的属性解耦方法,所提方法利用行人的身份标签作为监督信号引导模型解耦属性相关特征.第二,基于属性之间的关联构建语义图提出基于语义推理的特征学习模块,所提模块通过图模型在属性之间交换信息增强特征的跨模态识别能力.在公开的文本-图像行人检索数据集CUHK-PEDES和跨模态检索数据集Flickr30k上与现有方法进行实验对比,实验结果表明了所提方法的有效性.     

基于关联约束的对抗跨模态检索方法

现有跨模态检索方法主要使用某一指标约束得到一个子空间,检索结果往往有差异.为了提高公共子空间的鲁棒性,文中提出基于关联约束的对抗跨模态检索方法.对抗约束通过混淆判别器使其无法分辨子空间特征来自哪个模态,从而提升不同模态特征的一致性.关联约束用于增强投影子空间关联程度.三元组约束同时考虑不同模态同一语义、相同模态不同语义...     

基于转换生成网络的素描人脸识别

针对素描图像和可见光图像存在较大模态差异这一问题,提出一种基于转换生成网络的素描人脸识别方法,该网络同时实现跨模态图像生成和素描人脸识别.转换生成网络由生成器、判别器和特征转换网络(S网络)组成.生成器生成图像,判别器使得生成图像具备两种模态信息,S网络提取高级语义特征来辅助生成图像和识别.使用端对端训练来更新模型参数...     

Semantic consistent adversarial cross-modal retrieval exploiting semantic similarity

Cross-modal retrieval aims to search the semantically similar instances from the other modalities given a query from one modality. However, the differences of the distributions and representations between different modalities make that the similarity of different modalities can not be measured directly. To address this problem, in this paper, we propose a novel semantic consistent adversarial cross-modal retrieval (SC-ACMR), which learns semantic consistent representation for different modalities under adversarial learning framework by considering the semantic similarity from intra-modality and inter-modality. Specifically, for intra-modality, we minimize the intra-class distances. For the inter-modality, we require class center of different modalities with same semantic label to be as close as possible, and also minimize the distances between the samples and the class center with same semantic label from different modalities. Furthermore, we preserve the semantic similarity of transformed features of different modalities through a semantic similarity matrix. Comprehensive experiments on two benchmark datasets are conducted and the experimental results show that the proposed method have learned more compact semantic representations and achieved better performance than many existing methods in cross-modal retrieval.