展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 业界资讯 > 回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

不同于传统的目标检测问题,少样本目标检测(FSOD)假设我们有许多的基础类样本,但只有少量的新颖类样本。其目标是研究如何将基础类的知识迁移到新颖类,进而提升检测器对新颖类的识别能力。FSOD通常遵循两阶段训练范式。在第一阶段,检测器使用丰富的基础类样本进行训练,以学习目标检测任务所需的通用表示,如目标定位和分类。在第二阶段中,检测器仅使用少量(如1,2,3...)新颖类样本进行微调。然而由于基础类和新颖类样本数量的不平衡,其学习到的模型通常偏向于基础类,进而导致新颖类目标与相似的基础类混淆。此外

本文目录

    不同于传统的目标检测问题,少样本目标检测(FSOD)假设我们有许多的基础类样本,但只有少量的新颖类样本。其目标是研究如何将基础类的知识迁移到新颖类,进而提升检测器对新颖类的识别能力。

    FSOD 通常遵循两阶段训练范式。在第一阶段,检测器使用丰富的基础类样本进行训练,以学习目标检测任务所需的通用表示,如目标定位和分类。在第二阶段中,检测器仅使用 少量(如 1, 2, 3...)新颖类样本进行微调。然而由于基础类和新颖类样本数量的不平衡,其学习到的模型通常偏向于基础类,进而导致新颖类目标与相似的基础类混淆。此外,由于每个新颖类只有少量样本,模型对新颖类的方差很敏感。例如,随机采样新颖类样本进行多次训练,每次的结果都会有较大的差异。因此十分有必要提升模型在少样本下的鲁棒性。

    近期,腾讯优图实验室与武汉大学提出了基于变分特征聚合的少样本目标检测模型 VFA。VFA 的整体结构是基于改进版的元学习目标检测框架 Meta R-CNN++,并提出了两种特征聚合方法:类别无关特征聚合 CAA(Class-Agnostic Aggregation)和变分特征聚合 VFA(Variational Feature Aggregation)。

    特征聚合是 FSOD 中的一个关键设计,其定义了 Query 和 Support 样本之间的交互方式。前面的方法如 Meta R-CNN 通常采用类别相关特征聚合 CSA(class-specific aggregation),即同类 Query 和 Support 样本的特征进行特征聚合。与此相反,本文提出的 CAA 允许不同类样本之间的特征聚合。由于 CAA 鼓励模型学习类别无关的表示,其降低了模型对基础类的偏向。此外,不同类之间的交互能够更好地建模类别间的关系,从而降低了类别的混淆。

    基于 CAA,本文又提出了 VFA,其采用变分编码器(VAEs)将 Support 样本编码为类的分布,并从学习到的分布中采样新的 Support 特征进行特征融合。相关工作 [1] 指出类内方差(如外观的变化)在不同类之间是相似的,并且可以通过常见的分布进行建模。因此我们可以利用基础类的分布来估计新颖类的分布,进而提高少样本情况下特征聚合的鲁棒性。

    VFA 在多个 FSOD 数据集上表现优于目前最好的模型,相关研究已经被 AAAI 2023 录用为 Oral。

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    论文地址:https://arxiv.org/abs/2301.13411

    VFA 模型细节

    更强的基线方法:Meta R-CNN++

    目前 FSOD 的工作主要可以分为两类:基于元学习(meta learning)的方法和基于微调(fine-tuning)的方法。早期的一些工作证明元学习对 FSOD 是有效的,但基于微调的方法在最近受到越来越多的关注。本文首先建立了一个基于元学习的基线方法 Meta R-CNN++,缩小了两种方法之间的差距,在某些指标上甚至超过了基于微调的方法。

    我们首先分析了两种方法在实现上的一些差距,以元学习方法 Meta R-CNN [2] 和基于微调的方法 TFA [3] 为例,虽然这两种方法都遵循两阶段训练范式,TFA 在微调阶段使用额外的技术优化模型:

    1. TFA 冻结了大部分网络参数,只训练最后的分类和回归层,这样模型就不会过度拟合少样本类别。
    2. TFA 不是随机初始化分类层,而是复制基础类的预训练权重,只初始化新颖类的权重。
    3. TFA 采用余弦分类器(cosine classifier)而不是线性分类器。

    考虑到 TFA 的成功,我们构建了 Meta R-CNN++。如下表 1 所示,只要我们仔细处理微调阶段,元学习方法也能够取得较好的效果。因此,本文选择 Meta R-CNN++ 作为基线方法。

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    表一:Meta R-CNN 和 TFA 的对比与分析

    类别无关特征聚合 CAA


    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    图一:类别无关特征聚合 CAA 示意图

    本文提出一个简单而有效的类别无关特征聚合方法 CAA。如上图一所示,CAA 允许不同类之间的特征聚合,进而鼓励模型学习类别无关的表示,从而减少类别间的偏向和类之间的混淆。具体来说,对于类别回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA的每个 RoI 特征回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA和一组 Support 特征回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA,我们随机选择一个类的 Support 特征回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA的回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA与 Query 特征聚合:

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    然后我们将聚合特征

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    提供给检测子网络

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    以输出分类得分

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA。

    变分特征聚合 VFA

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    图二 VFA 模型示意图

    之前的工作通常将 Support 样本编码为单个特征向量来表示类别的中心。然而在样本较少且方差较大的情况下,我们很难对类中心做出准确的估计。在本文中,我们首先将 Support 特征转换为类别的分布。由于估计出的类别分布不偏向于特定样本,因此从分布中采样的特征对样本的方差有较好的鲁棒性。VFA 的框架如上图二所示。

    a)变分特征学习。VFA 采用变分自编码器 VAEs [4] 来学习类别的分布。如图二所示,对于一个 Support 特征 S,我们首先使用编码器回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA来估计分布的参数回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA和回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA,接着从分布回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA中通过变分推理(variational inference)采样回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA,最后通过解码器回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA得到重构的 Support 特征回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA。在优化 VAE 时,除了常见的 KL Loss回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA和重构 Loss回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA,本文还使用了一致性 Loss 使得学习到的分布保留类别信息:​

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    b)变分特征融合。由于 Support 特征被转换为类别的分布,我们可以从分布中采样特征并与 Query 特征聚合。具体来说,VFA 同样采用类别无关聚合 CAA,但将 Query 特征回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA与变分特征回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA聚合在一起。给定类回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA的 Query 特征回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA和类回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA的 Support 特征回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    ,我们首先估计其分布回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA,并采样变分特征回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA;然后通过下面的公式将其融合在一起:

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    其中回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA表示通道乘法,而 sig 是 sigmoid 操作的缩写。在训练阶段,我们随机选择一个 Support 特征回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA进行聚合;在测试阶段,我们对回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    类的回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA个 Support 特征取平均值回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA,并估计分布回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA,其中回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA。​

    分类 - 回归任务解耦

    通常情况下,检测子网络回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA包含一个共享特征提取器回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA和两个独立的网络:分类子网络回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA和回归子网络回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA。在前面的工作中,聚合后的特征被输入到检测子网络中进行目标分类和边界框回归。但是分类任务需要平移不变特征,而回归需要平移协变的特征。由于 Support 特征表示的是类别的中心,具有平移不变性,因此聚合后特征会损害回归任务。

    本文提出一种简单的分类 - 回归任务解耦。让回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA和回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA表示原始和聚合后的 Query 特征,之前的方法对这两个任务都采用回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA,其中分类分数回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA和预测边界框回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA定义为:

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    为了解耦这些任务,我们采用单独的特征提取器并使用原始的 Support 特征回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA进行边界框回归:​

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA


    实验评估

    我们采用的数据集:PASCAL VOC、 MS COCO。评价指标:新颖类平均精度 nAP、基础类平均精度 bAP。

    主要结果

    VFA 在两个数据集上都取得了较好的结果。如在 PASCAL VOC 数据集上(下表二),VFA 显著高于之前的方法;VFA 的 1-shot 结果甚至高于一些方法 10-shot 的结果。

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    表二 VFA 在 PASCAL VOC 数据集上的效果

    消融实验

    a)不同模块的作用。如下表三所示,VFA 的不同模块可以共同作用,提升模型的性能。

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    表三 不同模块的作用

    b) 不同特征聚合方法可视化分析。如下图三所示,CAA 可以减小基础类与新颖类之间的混淆;VFA 在 CAA 的基础上,进一步增强了类间的区分度。

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    图三 相似矩阵可视化

    c)更加准确的类别中心点估计。如下图四所示,VFA 可以更加准确的估计出类别的中心。且随着样本数量的减少,估计的准确度逐渐高于基线方法。这也解释了为什么我们的方法在样本少的情况下(K=1)表现的更好。

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    图四 估计的类别中心与真实类别中心间的距离

    d)结果可视化。

    回归元学习,基于变分特征聚合的少样本目标检测实现新SOTA

    图五 可视化结果

    结语

    本文回归了基于元学习的 FSOD 中特征聚合方法,并提出了类别无关特征聚合 CAA 和变分特征聚合 VFA。CAA 可以减少基础类和新颖类之间的类别偏差和混淆;VFA 将样本转换为类别分布以实现更加鲁棒的特征聚合。本文提出的方法在 PASCAL VOC 和 MS COCO 数据集上的实验证明了其有效性。

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    业界资讯 检测
    相关文章 更多
    精品专题 更多
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    macOS软件

    正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

    IOS软件

    正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

    AI

    正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

    Mac软件 更多
    Postman macOS版
    Postman macOS版

    Postman是一套面向API全生命周期的开发与测试平台,可在Mac上发送和调试多种协议请求,管理集合、环境及认证信息,并完成脚本测试、模拟服务、监控、文档发布和团队协作。它适合开发、测试及运维人员使用,提供个人免费方案。

    Docker Desktop macOS版
    Docker Desktop macOS版

    Docker Desktop 是 Docker 官方为 Mac 提供的容器开发环境,集成 Docker Engine、命令行工具、Compose、Build、Kubernetes 与图形化管理界面。

    Android Studio macOS版
    Android Studio macOS版

    Android Studio 是 Google 面向安卓应用开发提供的官方集成开发环境,基于 IntelliJ IDEA 构建。它整合智能代码编辑、Gradle 构建、界面预览、设备模拟、性能分析、调试测试及 APK 分析等工具。

    Xcode macOS版
    Xcode macOS版

    Xcode 是苹果面向 Mac 提供的官方集成开发环境,将代码编辑、项目构建、SwiftUI 实时预览、设备模拟、自动化测试、断点调试、性能分析和应用分发整合在同一套工作流中,适合开发与维护 iPhone、iPad、Mac、Apple Wa

    JetBrains WebStorm macOS版
    JetBrains WebStorm macOS版

    JetBrains WebStorm 是面向 JavaScript、TypeScript 和现代 Web 技术的专业集成开发环境,可智能理解项目结构,提供代码补全、重构、错误检查、运行调试、测试及 Git 工具。

    PhpStorm macOS版
    PhpStorm macOS版

    PhpStorm 是 JetBrains 推出的专业 PHP 集成开发环境,可在 Mac 上完成代码编写、智能检查、重构、调试、测试和数据库管理。它支持主流 PHP 框架、Composer、Git、Docker 与远程解释器。

    JetBrains PyCharm macOS版
    JetBrains PyCharm macOS版

    JetBrains PyCharm 是面向 Python 开发者的集成开发环境,提供智能补全、代码检查、重构、调试、测试、版本控制及虚拟环境管理功能。Mac 版兼容 Intel 与 Apple 芯片,核心功能可免费使用。

    JetBrains IntelliJ IDEA macOS版
    JetBrains IntelliJ IDEA macOS版

    IntelliJ IDEA 是 JetBrains 推出的专业集成开发环境,重点服务于 Java、Kotlin 与 JVM 项目开发。软件集成代码补全、静态检查、重构、调试、测试、版本控制及构建工具,并可借助插件扩展语言和框架支持。

    Visual Studio Code macOS版
    Visual Studio Code macOS版

    Visual Studio Code 是微软提供的免费代码编辑器,支持 macOS,并为 Intel 与 Apple 芯片 Mac 提供适配版本。软件集代码编辑、调试、Git 源代码管理、集成终端和扩展市场于一体。

    REAPER macOS版
    REAPER macOS版

    REAPER是Cockos开发的数字音频工作站,提供多轨音频与MIDI录制、剪辑、处理、混音和母带制作工具。Mac版兼容Intel与Apple芯片,支持AU、VST、VST3、CLAP等插件格式,并提供高度可定制的工作流程。

    Adobe Audition macOS版
    Adobe Audition macOS版

    Adobe Audition 是面向播客、影视后期、音乐制作及内容创作者的专业音频工作站,提供波形精修、多轨录制与混音、频谱编辑、降噪修复、响度匹配和效果处理工具,并可与 Adobe Premiere 协同完成视频声音制作。

    Pro Tools macOS版
    Pro Tools macOS版

    Pro Tools 是 Avid 推出的专业数字音频工作站,覆盖多轨录音、无损剪辑、MIDI 编曲、插件处理、自动化混音及声音与画面同步等工作。它拥有 Intro、Artist、Studio 和 Ultimate 等方案。

    WINDOWS 更多
    PixPix 网页版
    PixPix 网页版

    PixPix 是面向品牌、卖家和内容团队的在线 AI 图片视频创作平台,提供图视频 Agent、无限画布、图片生成、视频生成、自然语言编辑及商品套图、产品精修和带货视频等电商工具。

    Postman Windows版
    Postman Windows版

    Postman 是面向 API 全生命周期的开发与协作平台。Windows 桌面版可用于构建和发送 HTTP、GraphQL、gRPC、WebSocket、MQTT 等请求,并提供环境变量、集合、脚本测试、模拟服务、监控、文档及团队工作区等

    Docker Desktop Windows版
    Docker Desktop Windows版

    Docker Desktop 为 Windows 开发者提供集成式容器环境,内置 Docker Engine、命令行工具、Compose、Build 与 Kubernetes 等组件,可在本机完成镜像构建、容器运行、日志查看和资源管理。

    Android Studio Windows版
    Android Studio Windows版

    Android Studio 是 Google 面向 Android 应用开发提供的官方集成开发环境,以 IntelliJ IDEA 为基础,集成智能代码编辑、Gradle 构建、设备模拟、界面预览、调试测试及性能分析工具,

    JetBrains WebStorm Windows版
    JetBrains WebStorm Windows版

    WebStorm 是 JetBrains 面向 JavaScript、TypeScript 和现代 Web 技术打造的集成开发环境。它提供项目级代码分析、智能补全、安全重构、导航搜索,并集成调试、测试、终端、Git 与常用前端工具,

    JetBrains PhpStorm Windows版
    JetBrains PhpStorm Windows版

    PhpStorm 是 JetBrains 面向 PHP 与现代 Web 开发打造的专业集成开发环境,提供代码补全、静态检查、重构、调试、测试、数据库、版本控制及前端语言支持。Windows 用户可直接下载安装程序,

    JetBrains PyCharm Windows版
    JetBrains PyCharm Windows版

    PyCharm 是 JetBrains 推出的 Python 集成开发环境,提供智能代码补全、错误检查、重构、调试、测试、Git、终端及 Jupyter Notebook 支持。统一版安装后可体验 30 天 Pro 功能,

    JetBrains IntelliJ IDEA Windows版
    JetBrains IntelliJ IDEA Windows版

    JetBrains IntelliJ IDEA 是以 Java、Kotlin 和 JVM 项目为核心的专业集成开发环境,提供智能补全、代码检查、安全重构、调试、测试、版本控制及构建工具集成。统一发行版的核心功能可免费用于商业和非商业项目,

    Visual Studio Code Windows版
    Visual Studio Code Windows版

    Visual Studio Code 是微软推出的免费代码编辑器,Windows 版集成智能补全、代码导航、调试、终端和版本控制,并可通过扩展添加语言、格式化及远程开发能力。它启动较快、配置灵活,

    REAPER Windows版
    REAPER Windows版

    REAPER 是 Cockos 推出的数字音频工作站,适用于录音、MIDI 编曲、音频编辑、混音、母带制作及声音设计。软件安装包小巧,支持多轨录制、灵活路由、自动化、第三方插件和脚本扩展,并提供完整功能的 60 天免费评估期。

    Adobe Audition Windows版
    Adobe Audition Windows版

    Adobe Audition 是面向播客、影视后期、广播与音乐制作的专业音频工作站,提供波形编辑、多轨混音、频谱分析、录音、降噪修复和效果处理等功能。Windows 版通过 Adobe Creative Cloud 安装和管理,

    Pro Tools Windows版
    Pro Tools Windows版

    Pro Tools 是 Avid 推出的专业数字音频工作站,提供多轨录音、音频剪辑、MIDI编曲、插件处理、自动化混音及影视声音制作能力。它适合音乐人、录音师、制作人和音频后期团队使用,并提供免费入门版、订阅方案及永久授权选择。