基于深度卷积特征的细粒度图像分类研究综述

细粒度图像分类问题是计算机视觉领域一项极具挑战的研究课题,其目标是对子类进行识别,如区分不同种类的鸟.由于子类别间细微的类间差异和较大的类内差异,传统的分类算法不得不依赖于大量的人工标注信息.近年来,随着深度学习的发展,深度卷积神经网络为细粒度图像分类带来了新的机遇.大量基于深度卷积特征算法的提出,促进了该领域的快速发展.本文首先从该问题的定义以及研究意义出发,介绍了细粒度图像分类算法的发展现状.之后,从强监督与弱监督两个角度对比分析了不同算法之间的差异,并比较了这些算法在常用数据集上的性能表现.最后,我们对这些算法进行了总结,并讨论了该领域未来可能的研究方向及其面临的挑战.     

细粒度图像分类综述

细粒度图像具有类内方差大、类间方差小的特点,致使细粒度图像分类（FGIC）的难度远高于传统的图像分类任务。介绍了FGIC的应用场景、任务难点、算法发展历程和相关的常用数据集,主要概述相关算法：基于局部检测的分类方法通常采用连接、求和及池化等操作,模型训练较为复杂,在实际应用中存在较多局限;基于线性特征的分类方法模仿人类视觉的两个神经通路分别进行识别和定位,分类效果相对较优;基于注意力机制的分类方法模拟人类观察外界事物的机制,先扫描全景,后锁定重点关注区域并形成注意力焦点,分类效果有进一步的提高。最后针对目前研究的不足,展望FGIC下一步的研究方向。     

分类错误指导的分层B-CNN模型用于细粒度分类

目的 细粒度分类近年来受到了越来越多研究者的广泛关注,其难点是分类目标间的差异非常小。为此提出一种分类错误指导的分层双线性卷积神经网络模型。方法 该模型的核心思想是将双线性卷积神经网络算法（B-CNN）容易分错、混淆的类再分别进行重新训练和分类。首先,为得到易错类,提出分类错误指导的聚类算法。该算法基于受限拉普拉斯秩（CLR）聚类模型,其核心“关联矩阵”由“分类错误矩阵”构造。其次,以聚类结果为基础,构建了新的分层B-CNN模型。结果 用分类错误指导的分层B-CNN模型在CUB-200-2011、 FGVC-Aircraft-2013b和Stanford-cars 3个标准数据集上进行了实验,相比于单层的B-CNN模型,分类准确率分别由84.35%,83.56%,89.45%提高到了84.67%,84.11%,89.78%,验证了本文算法的有效性。结论 本文提出了用分类错误矩阵指导聚类从而进行重分类的方法,相对于基于特征相似度而构造的关联矩阵,分类错误矩阵直接针对分类问题,可以有效提高易混淆类的分类准确率。本文方法针对比较相近的目标,尤其是有非常相近的目标的情况,通过将容易分错、混淆的目标分组并进行再训练和重分类,使得分类效果更好,适用于细粒度分类问题。     

基于文本与视觉信息的细粒度图像分类

一般细粒度图像分类只关注图像局部视觉信息,但在一些问题中图像局部的文本 信息对图像分类结果有直接帮助,通过提取图像文本语义信息可以进一步提升图像细分类效果。 我们综合考虑了图像视觉信息与图像局部文本信息,提出一个端到端的分类模型来解决细粒度 图像分类问题。一方面使用深度卷积神经网络获取图像视觉特征,另一方面依据提出的端到端 文本识别网络,提取图像的文本信息,再通过相关性计算模块合并视觉特征与文本特征,送入 分类网络。最终在公共数据集 Con-Text 上测试该方法在图像细分类中的结果,同时也在 SVT 数据集上验证端到端文本识别网络的能力,均较之前方法获得更好的效果。     

基于RPN与B-CNN的细粒度图像分类算法研究

随着大数据和硬件的快速发展,细粒度分类任务应运而生,其目的是对粗粒度的大类别进行子类分类。为利用类间细微差异,提出基于RPN(Region Proposal Network)与B-CNN(Bilinear CNN)的细粒度图像分类算法。利用OHEM(Online Hard Example Mine)筛选出对识别结果影响大的图像,防止过拟合;将筛选后的图像输入到由soft-nms(Soft Non Maximum Suppression)改进的RPN网络中,得到对象级标注的图像,同时减少假阴性概率;将带有对象级标注信息的图像输入到改进后的B-CNN中,改进后的B-CNN可以融合不同层特征并加强空间联系。实验结果表明,在CUB200-2011和Standford Dogs数据集平均识别精度分别达到85.50%和90.10%。     

细粒度图像分类的深度学习方法

细粒度图像分类旨在从某一类别的图像中区分出其子类别,通常细粒度数据集具有类间相似和类内差异大的特点,这使得细粒度图像分类任务更加具有挑战性.随着深度学习的不断发展,基于深度学习的细粒度图像分类方法表现出更强大的特征表征能力和泛化能力,能够获得更准确、稳定的分类结果,因此受到了越来越多研究人员的关注和研究.首先,从细粒度...     

基于多粒度空间混乱的细粒度图像分类算法

细粒度图像分类是计算机视觉领域一个具有挑战性的任务,在实际场景中具有很高的应用价值。其中不同子类别的物体整体轮廓差异较小,微小的判别性局部区域是分类的关键。然而,这些重要的局部区域的尺度可能不同, 不能用单一的标准去衡量它们。为了解决这个问题,本文提出了多粒度空间混乱模块来帮助神经网络学习如何寻找到不同尺度的判别性细节。该模块首先将图片划分为不同粒度的局部区域,然后随机打乱并重组构成新的输入图片。经过处理的图片具有区域无关性,从而迫使网络更好地在不同粒度层次下寻找有判别力的局部区域并从中学习特征。在3个广泛使用的细粒度图像分类数据集上的实验证明本文提出的模块可以有效地帮助网络寻找判别性局部区域从而提升了准确率并且网络不需要图片的任何部位标注信息。     

基于稀疏化双线性卷积神经网络的细粒度图像分类

针对双线性卷积神经网络(B-CNN)在细粒度图像分类中因参数过多、复杂度过高而导致的过拟合问题,提出稀疏化B-CNN.首先对B-CNN的每个特征通道引入比例因子,在训练中采用正则化方法对其稀疏.然后利用比例因子的大小判别特征通道的重要性.最后将不重要特征通道按一定比例裁剪,消除网络过拟合,提高关键特征的显著性.稀疏化B-CNN属于弱监督学习,可实现端到端训练.在FGVC-aircraft、Stanford dogs、Stanford cars这3个细粒度图像数据集上的实验表明,稀疏化B-CNN的准确率高于B-CNN,也优于或基本接近其它通用的细粒度图像分类算法.     

聚焦—识别网络架构的细粒度图像分类

目的 细粒度图像分类是指对一个大类别进行更细致的子类划分,如区分鸟的种类、车的品牌款式、狗的品种等。针对细粒度图像分类中的无关信息太多和背景干扰问题,本文利用深度卷积网络构建了细粒度图像聚焦—识别的联合学习框架,通过去除背景、突出待识别目标、自动定位有区分度的区域,从而提高细粒度图像分类识别率。方法 首先基于Yolov2（youonly look once v2）的网络快速检测出目标物体,消除背景干扰和无关信息对分类结果的影响,实现聚焦判别性区域,之后将检测到的物体（即Yolov2的输出）输入双线性卷积神经网络进行训练和分类。此网络框架可以实现端到端的训练,且只依赖于类别标注信息,而无需借助其他的人工标注信息。结果 在细粒度图像库CUB-200-2011、Cars196和Aircrafts100上进行实验验证,本文模型的分类精度分别达到84.5%、92%和88.4%,与同类型分类算法得到的最高分类精度相比,准确度分别提升了0.4%、0.7%和3.9%,比使用两个相同D（dence）-Net网络的方法分别高出0.5%、1.4%和4.5%。结论 使用聚焦—识别深度学习框架提取有区分度的区域对细粒度图像分类有积极作用,能够滤除大部分对细粒度图像分类没有贡献的区域,使得网络能够学习到更多有利于细粒度图像分类的特征,从而降低背景干扰对分类结果的影响,提高模型的识别率。     

基于多通道视觉注意力的细粒度图像分类

视觉注意力机制在细粒度图像分类中得到了广泛的应用。现有方法多是构建一个注意力权重图对特征进行简单加权处理。对此,本文提出了一种基于可端对端训练的深度神经网络模型实现的多通道视觉注意力机制,首先通过多视觉注意力图描述对应于视觉物体的不同区域,然后提取对应高阶统计特性得到相应的视觉表示。在多个标准的细粒度图像分类测试任务中,基于多通道视觉注意的视觉表示方法均优于近年主流方法。     

结合双语义数据增强与目标定位的细粒度图像分类

细粒度图像分类旨在对属于同一基础类别的图像进行更细致的子类划分,其较大的类内差异和较小的类间差异使得提取局部关键特征成为关键所在。提出一种结合双语义数据增强与目标定位的细粒度图像分类算法。为充分提取具有区分度的局部关键特征,在训练阶段基于双线性注意力池化和卷积块注意模块构建注意力学习模块和信息增益模块,分别获取目标局部细节信息和目标重要轮廓这2类不同语义层次的数据,以双语义数据增强的方式提高模型准确率。同时,在测试阶段构建目标定位模块,使模型聚焦于分类目标整体,从而进一步提高分类准确率。实验结果表明,该算法在CUB-200-2011、FGVC Aircraft和Stanford Cars数据集中分别达到89.5%、93.6%和94.7%的分类准确率,较基准网络Inception-V3、双线性注意力池化特征聚合方式以及B-CNN、RA-CNN、MA-CNN等算法具有更好的分类性能。     

基于注意力机制的弱监督细粒度图像分类

针对细粒度图像分类任务中难以对图中具有鉴别性对象进行有效学习的问题,本文提出了一种基于注意力机制的弱监督细粒度图像分类算法.该算法能有效定位和识别细粒度图像中语义敏感特征.首先在经典卷积神经网络的基础上通过线性融合特征得到对象整体信息的表达,然后通过视觉注意力机制进一步提取特征中具有鉴别性的细节部分,获得更完善的细粒度特征表达.所提算法实现了线性融合和注意力机制的结合,可看作是多网络分支合作训练共同优化的网络模型,从而让网络模型对整体信息和局部信息都有更好的表达能力.在3个公开可用的细粒度识别数据集上进行了验证,实验结果表明,所提方法有效性均优于基线方法,且达到了目前先进的分类水平.     

类激活映射指导数据增强的细粒度图像分类

细粒度图像分类任务的关键在于获取精细的局部特征,为了充分利用数据价值,提出一种面向视觉注意力的数据增强方法,基于类激活映射图(class activation mapping,CAM)生成具有针对性的扩充图像,进而帮助细粒度分类.根据CAM对输入图像进行注意力区域裁剪和放大;构造一个流场网格对原图进行采样以夸张该区域,裁剪与夸张后的2种扩充数据能够引导模型学习更细微的特征差异;遮挡图像关键区域,从而促使模型学习其他有效特征.该方法只需要图像级标签,无需边界框和部位标注,可以在不引入其他辅助网络的情况下直接进行端到端训练.在3个公开数据集CUB-200-2011,FGVC-Aircraft和Stanford Cars上的实验结果表明,模型特征提取能力得到有效提升,且Top-1准确率指标优于部分现有先进算法.     

结合注意力与双线性网络的细粒度图像分类

如何对识别物体进行精确定位并提取更具有表达力的特征,是细粒度图像分类算法的核心问题之一.为此,本文提出了一种基于注意力机制的双线性卷积神经网络细粒度图像分类算法(BAM B-CNN),主要工作如下:1)通过VGG-16网络获得原始图像的激活映射图,选取大于平均值的最大联通区域作为物体图像;2)使用区域建议网络(RPN)...     

基于双注意力核化双线性网络的细粒度图像分类

针对双线性卷积网络忽略特征图中不同通道和空间位置对分类的不同作用问题,提出一种基于双注意力机制的核化双线性卷积网络模型。从通道和空间两个维度上对局部区域进行双注意力建模,通道注意力机制对通道加权,空间注意力机制对位置加权,将两个机制的注意力特征图矩阵相加后进行外积聚合。采用sigmoid核函数对外积矩阵进行核化,建模通道间的非线性关系。实验在CUB-200-2011、FGVC-Aircraft以及Standford-Cars这3个细粒度数据集上对该方法进行测试,实验结果表明,该方法在3个数据集上均优于同类方法。     

YOLOv3和双线性特征融合的细粒度图像分类

目的 细粒度图像分类是计算机视觉领域具有挑战性的课题,目的是将一个大的类别分为更详细的子类别,在工业和学术方面都有着十分广泛的研究需求。为了改善细粒度图像分类过程中不相关背景干扰和类别差异特征难以提取的问题,提出了一种将目标检测方法YOLOv3（you only look once）和双线性融合网络相结合的细粒度分类优化算法,以此提高细粒度图像分类的性能。方法 利用重新训练过的目标检测算法YOLOv3粗略确定目标在图像中的位置;使用背景抑制方法消除目标以外的信息干扰;利用融合不同通道、不同层级卷积层特征的方法对经典的细粒度分类算法双线性卷积神经网络（bilinear convolutional neural network,B-CNN）进行改进,优化分类性能,通过融合双线性网络中不同卷积层的特征向量,得到更加丰富的互补信息,从而提高细粒度分类精度。结果 实验结果表明,在CUB-200-2011（Caltech-UCSD Birds-200-2011）、Cars196和Aircrafts100数据集中,本文算法的分类准确率分别为86.3%、92.8%和89.0%,比经典的B-CNN细粒度分类算法分别提高了2.2%、1.5%和4.9%,验证了本文算法的有效性。同时,与已有细粒度图像分类算法相比也表现出一定的优势。结论 改进算法使用YOLOv3有效滤除了大量无关背景,通过特征融合方法来改进双线性卷积神经分类网络,丰富特征信息,使分类的结果更加精准。     

基于多分支注意力增强的细粒度图像分类

针对细粒度图像类间差距小、类内差距大的问题,文中提出以弱监督学习的方式使用多分支注意力增强卷积网络,从而实现细粒度图像分类.文中采用Inception-V3网络提取图像的基础特征,从中获取多个局部响应区域并进行特征融合,在此基础上采用注意力机制对图像关键区域进行自约束的局部裁剪和局部擦除,避免仅提取目标单个部位的特征,...     

一种数据增强和多模型集成的细粒度分类算法

针对解决数据缺少和单个卷积网络模型性能的限制造成细粒度分类准确率不高的问题,提出了一种数据增强和多模型集成融合的分类算法。首先通过镜像、旋转、多尺度缩放、高斯噪声、随机剪切和色彩增强6 种变换对CompCars 数据集进行增强处理,然后采用差异化采样数据集的方法训练CaffeNet、VGG16 和GoogleNet 3 种差异化的网络。然后采用多重集成的方法集成多种模型的输出结果。实验中测试网络结构在不同数据增强算法和不同模型集成下的分类结果。模型集成的分类准确率达到94.9%,比最好的单GoogleNet 模型的分类精确率提高了9.2 个百分点。实验结果表明该算法可以有效地提高分类的准确率。     

自上而下注意图分割的细粒度图像分类

目的 针对细粒度图像分类中的背景干扰问题,提出一种利用自上而下注意图分割的分类模型。方法 首先,利用卷积神经网络对细粒度图像库进行初分类,得到基本网络模型。再对网络模型进行可视化分析,发现仅有部分图像区域对目标类别有贡献,利用学习好的基本网络计算图像像素对相关类别的空间支持度,生成自上而下注意图,检测图像中的关键区域。再用注意图初始化GraphCut算法,分割出关键的目标区域,从而提高图像的判别性。最后,对分割图像提取CNN特征实现细粒度分类。结果 该模型仅使用图像的类别标注信息,在公开的细粒度图像库Cars196和Aircrafts100上进行实验验证,最后得到的平均分类正确率分别为86.74%和84.70%。这一结果表明,在GoogLeNet模型基础上引入注意信息能够进一步提高细粒度图像分类的正确率。结论 基于自上而下注意图的语义分割策略,提高了细粒度图像的分类性能。由于不需要目标窗口和部位的标注信息,所以该模型具有通用性和鲁棒性,适用于显著性目标检测、前景分割和细粒度图像分类应用。     

基于流形结构神经网络的服装图像集分类方法

随着大规模时尚数据集的公开,基于深度学习的服装图像分类得到快速发展.然而,目前服装图像分类多数是在同一件服装具有单张的、正面或接近正面的图像的场景下进行分类,这导致了当视角发生变化时常出现服装图像误分类的情况,现实中服装具有的形变大、遮挡严重等特性进一步加剧了该问题.基于上述问题,提出了一种基于流形结构神经网络的服装图像集分类方法,利用流形空间更好地表示服装的内部结构特征.该方法选用多视角度服装图像集作为实验数据集,首先通过卷积神经网络提取服装图像集的浅层特征,再通过协方差池化将欧氏数据转换为流形数据,最后通过基于流形结构的神经网络学习服装图像集的内部结构特征,获取准确的分类结果.实验结果表明,所提方法在MVC数据集上的Precision、Recall和F-1指标可达到89.64％,89.12％和88.69％,与现有的图像集(视频)分类算法相比,其分别获得了2.04％,2.65％和2.70％的提升,该方法比已有算法更加准确、高效、鲁棒.