考虑多粒度类相关性的对比式开放集识别方法

深度神经网络在分类任务上不断取得性能突破,但在测试中面对未知类样本时,会错误地给出一个已知类预测结果.开放集识别任务旨在解决该问题,要求模型不仅精确地分类已知类,同时对未知类样本进行准确判别.现有方法虽然取得了不错的效果,但由于未对开放集识别任务的影响因素进行分析,因而大多基于某种假设启发式地设计模型,难以保证对于实际场景的适应性.分析了现有方法的共性,通过设计一个新的决策变量实验,发现模型对已知类的表示学习能力是其中的一个关键影响因素.基于该结论,提出了一种基于模型表示学习能力增强的开放集识别方法.首先,由于对比式学习已展示出的强大表示学习能力以及开放集识别任务所包含的标签信息,引入了监督对比式学习方法,提高模型对已知类的建模能力;其次,考虑到类别间的相关性是在类别层次上的表示,且类别之间往往呈现分层结构关系,设计了一种多粒度类相关性的损失函数,通过在标签语义空间构建分层结构并度量多粒度类相关性的方式,约束模型学习不同已知类间的相关关系,进一步提高其表示学习能力;最后,在多个标准数据集上进行了实验验证,证明了所提出方法在开放集识别任务上的有效性.     

监督机制多粒度决策粗糙集模型及应用

为弥补多粒度决策粗糙集刻画不确定性知识能力的不足,鉴于监督学习能够考虑对象现有或预测的类别标签信息,在多粒度决策粗糙集中引入类内阈值和类间阈值的概念,提出了基于监督机制的多粒度决策粗糙集,给出模型的下、上近似,并对相关性质和结论进行证明。以工地项目建设的实例验证了模型的有效性与可靠性。实验结果表明,通过调整类内阈值和类间阈值,可进一步提高原模型的容错和分类能力。     

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 image dataset）和UCMerced LandUse （UC merced land use dataset）3个数据集上进行实验。在5-way 1-shot条件下,本文方法的精度在3个数据集上分别达到了72.72%±0.15%、68.62%±0.76%和68.21%±0.65%,比Relation Net^*模型分别提高了4.43%、1.93%和0.68%。随着可用标签的增加,本文方法的提升作用依然能够保持,在5-way 5-shot条件下,本文方法的精度比Relation Net^*分别提高3.89%、2.99%和1.25%。结论 本文方法可以使模型学习到更丰富的类内类间关系,有效提升小样本遥感场景图像分类模型的泛化能力。     

基于对比学习的细粒度遮挡人脸表情识别

和实验室环境不同,现实生活中的人脸表情图像场景复杂,其中最常见的局部遮挡问题会造成面部外观的显著改变,使得模型提取到的全局特征包含与情感无关的冗余信息从而降低了判别力.针对此问题,本文提出了一种结合对比学习和通道-空间注意力机制的人脸表情识别方法,学习各局部显著情感特征并关注局部特征与全局特征之间的关系.首先引入对比学习,通过特定的数据增强方法设计新的正负样本选取策略,对大量易获得的无标签情感数据进行预训练,学习具有感知遮挡能力的表征,再将此表征迁移到下游人脸表情识别任务以提高识别性能.在下游任务中,将每张人脸图像的表情分析问题转化为多个局部区域的情感检测问题,使用通道-空间注意力机制学习人脸不同局部区域的细粒度注意力图,并对加权特征进行融合,削弱遮挡内容带来的噪声影响,最后提出约束损失联合训练,优化最终用于分类的融合特征.实验结果表明,无论是在公开的非遮挡人脸表情数据集(RAFDB和FER2013)还是人工合成的遮挡人脸表情数据集上,所提方法都取得了与现有先进方法可媲美的结果.     

自适应标记关联与实例关联诱导的缺失多视图弱标记学习

针对多视图多标记学习中视图不完整和标记不完整问题,提出一种自适应标记关联与实例关联诱导的缺失多视图弱标记学习模型。模型假设样本各视图特征基于一个共享表示,通过不同映射得到。首先通过嵌入指示矩阵进行矩阵分解,充分利用已有的不完整多视图弱标记数据,然后引入图论中学习标准拉普拉斯矩阵的技术来刻画标记关联关系、实例关联关系,从而在模型里嵌入流形正则化思想,使学到的潜在共享表示以及分类器更加合理,最后在4个多视图多标记数据集上实验。实验结果表明,所提方法能够有效解决不完整多视图弱标记学习问题。     

基于弱标签的多示例迁移学习方法

作为监督学习的一种变体,多示例学习(MIL)试图从包中的示例中学习分类器。在多示例学习中,标签与包相关联,而不是与单个示例相关联。包的标签是已知的,示例的标签是未知的。MIL可以解决标记模糊问题,但要解决带有弱标签的问题并不容易。对于弱标签问题,包和示例的标签都是未知的,但它们是潜在的变量。现在有多个标签和示例,可以通过对不同标签进行加权来近似估计包和示例的标签。提出了一种新的基于迁移学习的多示例学习框架来解决弱标签的问题。首先构造了一个基于多示例方法的迁移学习模型,该模型可以将知识从源任务迁移到目标任务中,从而将弱标签问题转换为多示例学习问题。在此基础上,提出了一种求解多示例迁移学习模型的迭代框架。实验结果表明,该方法优于现有多示例学习方法。     

类别增量学习研究进展和性能评价

机器学习技术成功地应用于计算机视觉、自然语言处理和语音识别等众多领域.然而,现有的大多数机器学习模型在部署后类别和参数是固定的,只能泛化到训练集中出现的类别,无法增量式地学习新类别.在实际应用中,新的类别或任务会源源不断地出现,这要求模型能够像人类一样在较好地保持已有类别知识的基础上持续地学习新类别知识.近年来新兴的类别增量学习研究方向,旨在使得模型能够在开放、动态的环境中持续学习新类别的同时保持对旧类别的判别能力(防止“灾难性遗忘”).本文对类别增量学习(Class-incremental learning, CIL)方法进行了详细综述.根据克服遗忘的技术思路,将现有方法分为基于参数正则化、基于知识蒸馏、基于数据回放、基于特征回放和基于网络结构的五类方法,对每类方法的优缺点进行了总结.此外,本文在常用数据集上对代表性方法进行了实验评估,并通过实验结果对现有算法的性能进行了比较分析.最后,对类别增量学习的研究趋势进行展望.     

基于自监督知识的无监督新集域适应学习

无监督域适应(unsupervised domain adaptation,UDA)旨在利用带大量标注数据的源域帮助无任何标注信息的目标域学习.在UDA中,通常假设源域和目标域间的数据分布不同,但共享相同的类标签空间.但在真实开放学习场景中,域间的标签空间很可能存在差异.在极端情形下,域间的类别不存在交集,即目标域中类...     

基于多层次注意力与图模型的图像多标签分类算法

图像多标签分类作为计算机视觉领域的重要研究方向,在图像识别、检测等场景下得到广泛应用。现有图像多标签分类方法无法有效利用标签相关性信息以及标签语义与图像特征的对应关系,导致分类能力较差。提出一种图像多标签分类的新算法,通过利用标签共现信息和标签先验知识构建图模型,使用多尺度注意力学习图像特征中目标,并利用标签引导注意力融合标签语义特征和图像特征信息,从而将标签相关性和标签语义信息融入到模型学习中。在此基础上,基于图注意力机制构建动态图模型,并对标签信息图模型进行动态更新学习,以充分融合图像信息和标签信息。在图像多标签分类任务上的实验结果表明,相比于现有最优算法MLGCN,该算法在VOC-2007数据集及COCO-2012数据集上的mAP值分别提高了0.6、1.2个百分点,性能有明显提升。     

基于多粒度结构的网络表示学习

图卷积网络（GCN）能够适应不同结构的图,但多数基于GCN的方法难以有效地捕获网络的高阶相似性。简单添加卷积层将导致输出特征过度平滑并使它们难以区分,而且深层神经网络更难训练。本文选择将网络的多粒度结构和图卷积网络结合起来用于学习网络的节点特征表示,提出基于多粒度结构的网络表示学习方法Multi-GS。首先,基于模块度聚类和粒计算思想,用分层递阶的多粒度空间替代原始的单层网络拓扑空间;然后,利用GCN模型学习不同粗细粒度空间中粒的表示;最后,由粗到细将不同粒的表示组合为原始空间中节点的表示。实验结果表明:Multi-GS能够捕获多种结构信息,包括一阶和二阶相似性、社团内相似性（高阶结构）和社团间相似性（全局结构）。在绝大多数情况下,使用多粒度的结构可改善节点分类任务的分类效果。     

多粒度信息关系增强的多标签文本分类

基于深度学习的多标签文本分类方法存在两个主要缺陷:缺乏对文本信息多粒度的学习,以及对标签间约束性关系的利用.针对这些问题,提出一种多粒度信息关系增强的多标签文本分类方法.首先,通过联合嵌入的方式将文本与标签嵌入到同一空间,并利用BERT预训练模型获得文本和标签的隐向量特征表示.然后,构建3个多粒度信息关系增强模块:文档级信息浅层标签注意力分类模块、词级信息深层标签注意力分类模块和标签约束性关系匹配辅助模块.其中,前两个模块针对共享特征表示进行多粒度学习:文档级文本信息与标签信息浅层交互学习,以及词级文本信息与标签信息深层交互学习.辅助模块通过学习标签间关系来提升分类性能.最后,所提方法在3个代表性数据集上,与当前主流的多标签文本分类算法进行了比较.结果表明,在主要指标Micro-F1、MacroF1、nDCG@k、P@k上均达到了最佳效果.     

联合嵌入式多标签分类算法

现有的一些多标签分类算法,因多标签数据含有高维的特征或标签信息而变得不可行.为了解决这一问题,提出基于去噪自编码器和矩阵分解的联合嵌入多标签分类算法Deep AE-MF.该算法包括两部分:特征嵌入部分使用去噪自编码器对特征空间学习得到非线性表示,标签嵌入部分则是利用矩阵分解直接学习到标签空间对应的潜在表示与解码矩阵.Deep AE-MF将特征嵌入和标签嵌入的两个阶段进行联合,共同学习一个潜在空间用于模型预测,进而得到一个有效的多标签分类模型.为了进一步提升模型性能,在Deep AE-MF方法中对标签间的负相关信息加以利用.通过在不同数据集上进行实验证明了提出Deep AE-MF方法的有效性和鲁棒性.     

基于潜在Dirichlet分布的图像分层表示模型

现有的图像分层表示方法严格局限于前馈型方式,不能较好地解决局部模糊性等问题。基于此,文中提出一种学习和推断层次结构所有分层的概率模型,它考虑递归的概率分解过程,通过推导得到金字塔式多层结构的潜在Dirichlet分布的衍生模型。该模型存在两个重要特性:增加表示层可提高平面模型的性能;采用全Bayesian概率方法优于其前馈型实现形式。在标准识别数据集上的实验结果表明,与现有的分层表示方法相比,该模型表现出较好性能。     

联合松弛块对角表示矩阵回归的遮挡人脸识别

基于核范数矩阵回归的方法能够有效解决人脸识别中连续遮挡的问题,然而该类方法仅关注误差图像的低秩结构信息,忽略了样本图像表示的相关性。为了有效解决自然场景下的遮挡人脸识别问题,考虑到这一特点,提出一种联合松弛块对角表示的矩阵回归模型（RBDMR）学习图像的松弛块对角表示,并通过动态优化表示矩阵的块对角分量加强类内表示的相关性和类间表示的差异性。此外,通过联合优化训练样本和测试样本的表示持续提高类内表示的一致性。通过在三个不同的数据集进行验证,实验结果表明,该方法优于其他对比算法,在真实遮挡和光照变化的情况下有较好的性能。     

Learning multi-tasks with inconsistent labels by using auxiliary big task

Multi-task learning is to improve the performance of the model by transferring and exploiting common knowledge among tasks. Existing MTL works mainly focus on the scenario where label sets among multiple tasks (MTs) are usually the same, thus they can be utilized for learning across the tasks. However, the real world has more general scenarios in which each task has only a small number of training samples and their label sets are just partially overlapped or even not. Learning such MTs is more challenging because of less correlation information available among these tasks. For this, we propose a framework to learn these tasks by jointly leveraging both abundant information from a learnt auxiliary big task with sufficiently many classes to cover those of all these tasks and the information shared among those partially-overlapped tasks. In our implementation of using the same neural network architecture of the learnt auxiliary task to learn individual tasks, the key idea is to utilize available label information to adaptively prune the hidden layer neurons of the auxiliary network to construct corresponding network for each task, while accompanying a joint learning across individual tasks. Extensive experimental results demonstrate that our proposed method is significantly competitive compared to state-of-the-art methods.     

Radial Basis Function Network for Multitask Pattern Recognition

In this paper, a novel type of radial basis function network is proposed for multitask pattern recognition. We assume that recognition tasks are switched sequentially without notice to a learner and they have relatedness to some extent. We further assume that training data are given to learn one by one and they are discarded after learning. To learn a recognition system incrementally in such a multitask environment, we propose Resource Allocating Network for Multi-Task Pattern Recognition (RAN-MTPR). There are five distinguished functions in RAN-MTPR: one-pass incremental learning, task change detection, task categorization, knowledge consolidation, and knowledge transfer. The first three functions enable RAN-MTPR not only to acquire and accumulate knowledge of tasks stably but also to allocate classes to appropriate tasks unless task labels are not explicitly given. The fourth function enables RAN-MTPR to recover the failure in task categorization by minimizing the conflict in class allocation to tasks. The fifth function, knowledge transfer from one task to another, is realized by sharing the internal representation of a hidden layer with different tasks and by transferring class information of the most related task to a new task. The experimental results show that the recognition performance of RAN-MTPR is enhanced by introducing the two types of knowledge transfer and the consolidation works well to reduce the failure in task change detection and task categorization if the RBF width is properly set.     

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。     

Few-shot node classification via local adaptive discriminant structure learning

Node classification has a wide range of application scenarios such as citation analysis and social network analysis. In many real-world attributed networks, a large portion of classes only contain limited labeled nodes. Most of the existing node classification methods cannot be used for few-shot node classification. To train the model effectively and improve the robustness and reliability of the model with scarce labeled samples, in this paper, we propose a local adaptive discriminant structure learning (LADSL) method for few-shot node classification. LADSL aims to properly represent the nodes in the attributed graphs and learn a metric space with a strong discriminating power by reducing the intra-class variations and enlarging inter-class differences. Extensive experiments conducted on various attributed networks datasets demonstrate that LADSL is superior to the other methods on few-shot node classification task.     

基于协作低秩分层稀疏和LC-KSVD的人脸表情识别

为了降低人脸表情识别对待识别个体的依赖程度,控制识别字典规模,增加识别准确度,提出了一种基于协作低秩和分层稀疏的表情识别字典构建方法.通过协作低秩和分层稀疏表示(C-HiSLR)有效分离与待识别个体相关部分,保留表情变化部分,并结合标签一致区分字典学习(LC-KSVD)算法,进行相应待训练表情序列的重构识别和对应类别字典的区分程度的优化学习.该方法在CK+数据集上进行验证,识别效果较一般基于稀疏表示模型算法有明显的提升.     

视觉特征对比解耦的广义零样本学习

广义零样本学习通常利用在ImageNet上预训练的深度模型来提取相应的视觉特征,然而预训练模型提取到的视觉特征不可避免地包含和语义无关的信息,这将导致语义—视觉对齐的偏差以及对不可见类的负迁移,从而影响分类结果。为解决上述问题,提出了视觉特征对比解耦的广义零样本学习模型(visual feature contrast decoupling for generalized zero-shot learning, VFCD-GZSL),通过解耦出视觉特征中的语义相关表示来降低冗余信息对分类结果的影响。具体来说,首先用条件变分自编码器生成不可见类的视觉特征。然后通过解耦模块将视觉特征解耦语义相关和语义无关的潜层表示,同时添加总相关惩罚和对比损失来鼓励两者间的相互独立,并用语义关系匹配模型衡量其语义一致性,从而指导模型学习语义相关表示。最后使用特征细化模块细化后的特征和语义相关表示联合学习一个广义零样本学习分类器。在四个数据集上的实验均取得较优的结果,证实了所提方法的有效性。