CN109978017B - 难样本采样方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开一种难样本采样方法和系统，其中方法包括如下步骤：通过采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图，再基于第一超参数确定特征图中的难样本数，然后根据第二超参数和特征图中的样本计算特征图中的预设难样本数。采用本发明，通过引入两个超参数分析特征图中的难样本，可以提高难样本挖掘的速度，再基于HES模型对特征图进行处理，更新目标检测模型的参数，可以保证最终的检测精度和时效性。

Description

难样本采样方法和系统
技术领域
本发明涉及样本挖掘技术领域，尤其涉及一种难样本采样方法和系统。
背景技术
在机器学习模型训练过程中，模型识别能力比较弱的样本设定为难样本。对难样本的挖掘学习可以明显提高目标检测方法的检测精度。然而，基于预选框筛选的两阶段方法速度过慢，同时基于直接回归的一阶段方法上则没有较有效的难样本挖掘方法。
发明内容
本发明实施例提供一种难样本采样方法和系统，通过引入两个超参数分析特征图中的难样本，可以提高难样本挖掘的速度，再基于HES模型对特征图进行处理，更新目标检测模型的参数，可以保证最终的检测精度和时效性。
本发明实施例第一方面提供了一种难样本采样方法，可包括：
采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图；
基于第一超参数确定所述特征图中的难样本数；
根据第二超参数和所述特征图中的样本计算所述特征图中的预设难样本数。
在一种可能的设计中，在基于第一超参数确定所述特征图中的难样本数时，上述采样方法还包括：
根据所述特征图中各元素的预测信息将所述各元素划分至不同的样本中；
计算各样本的样本损失；
根据各样本的样本损失的大小对所述各样本进行排序，组成样本损失序列；
基于所述第一超参数在所述样本损失序列中确定所述特征图中的难样本数。
在一种可能的设计中，在基于所述第一超参数在所述样本损失序列中确定所述特征图中的难样本时，上述采样方法还包括：
遍历所述样本损失序列，确定样本损失最大的样本作为目标难样本；
采用HES模型将所述样本损失序列中的非难样本剔除，得到所述特征图中的难样本数；
其中，所述非难样本的样本损失小于所述目标难样本的样本损失，所述非难样本的IoU大于第一超参数。
在一种可能的设计中，上述采样方法还包括：
采用和所述特征图同样维度的矩阵M点积乘所述特征图，得到所述特征图对应的更新特征图；
对所述更新特征图进行损失反向传播，更新所述深度学习模型中的模型参数。
在一种可能的设计中：
所述M矩阵中的初始元素均为0。
在一种可能的设计中，上述采样方法还包括：
将所述特征图中确定为难样本的样本点对应的位置确定为目标位置；
将所述M矩阵中和所述目标位置相对应的位置处的元素置为1。
本发明实施例第二方面提供了一种难样本采样系统，可包括：
特征图获取模块，用于采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图；
难样本确定模块，用于基于第一超参数确定所述特征图中的难样本数；
预设样本计算模块，用于根据第二超参数和所述特征图中样本数计算所述特征图中的预设难样本数。
在一种可能的设计中，上述难样本确定模块包括：
样本划分单元，用于根据所述特征图中各元素的预测信息将所述各元素划分至不同的样本中；
损失计算单元，用于计算各样本的样本损失；
样本排序单元，用于根据各样本的样本损失的大小对所述各样本进行排序，组成样本损失序列；
难样本确定单元，用于基于所述第一超参数在所述样本损失序列中确定所述特征图中的难样本数。
在一种可能的设计中，上述难样本确定单元包括：
目标确定子单元，用于遍历所述样本损失序列，确定样本损失最大的样本作为目标难样本；
样本剔除子单元，用于采用HES模型将所述样本损失序列中的非难样本剔除，得到所述特征图中的难样本数；
其中，所述非难样本的样本损失小于所述目标难样本的样本损失，所述非难样本的IoU大于第一超参数。
在一种可能的设计中，上述采用系统还包括：
特征图更新模块，用于采用和所述特征图同样维度的矩阵M点积乘所述特征图，得到所述特征图对应的更新特征图；
模型参数更新模块，用于对所述更新特征图进行损失反向传播，更新所述深度学习模型中的模型参数。
在一种可能的设计中：
所述M矩阵中的初始元素均为0。
在一种可能的设计中，上述采用系统还包括：
目标位置确定模块，用于将所述特征图中确定为难样本的样本点对应的位置确定为目标位置；
元素设置模块，用于将所述M矩阵中和所述目标位置相对应的位置处的元素置为1。
在本发明实施例中，通过采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图，再基于第一超参数确定特征图中的难样本数，然后根据第二超参数和特征图中的样本数计算特征图中的预设难样本数。通过引入两个超参数分析特征图中的难样本，提高了难样本挖掘的速度，再基于HES模型对特征图进行处理，更新目标检测模型的参数，保证了最终的检测精度和时效性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明实施例提供的一种难样本采样方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种难样本采样方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种难样本采样系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的难样本确定模块的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的难样本确定单元的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
下面将结合附图1和附图2，对本发明实施例提供的难样本采样方法进行详细介绍。
请参见图1，为本发明实施例提供了一种难样本采样方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例的所述方法可以包括以下步骤S101-步骤S103。
S101，采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图。
具体的，采样系统可以采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图，可以理解的是，上述深度学习模型可以是深度神经网络模型或者深度卷积神经网络模型等，训练图像数据可以是原始的未经处理的图像。可选的，采样系统可以经过骨干网和yolo检测头得到训练图像数据最终预测的特征图。其中，yolo检测头可以是一阶段的数学模型。上述特征图可以是通过对角线定点坐标确定的特征区域，或者是通过中心点坐标以及长宽确定的特征区域。
S102，基于第一超参数确定特征图中的难样本数。
具体的，上述采样系统可以基于第一超参数确定特征图中的难样本数，可以理解的是，第一超参数可以是非最大值抑制值阈值(non-maximum suppression，NMS)，特征图中的总样本数与特征图的大小相关，数量是固定的。采样系统可以基于NMS阈值在NMS操作中找到特征图中数量不定的难样本。在可选实施例中，可以根据特征图的大小确定特征图中的样本数。
在可选实施例中，采样系统可以根据特征图中各元素的预测信息将各元素划分至不同的样本中，如果预测的坐标和类别信息属于同一物体，就可以将对应的元素划分至同一样本中。进一步的，可以计算各样本的样本损失，可选的，可以通过下面的函数定义样本损失：
Figure BDA0001987424120000041
其中，
Figure BDA0001987424120000042
为样本损失，
Figure BDA0001987424120000043
为一个样本里坐标信息的损失，
Figure BDA0001987424120000044
为一个样本里类别信息的损失。进一步的，采样系统可以根据各样本的样本损失的大小对各样本进行排序，组成样本损失序列，优选的，可以按照样本损失递减顺序进行排序。进一步的，可以基于NMS阈值在上述样本损失序列中确定特征图中不定数量的难样本数。
在可选实施例中，采样系统可以遍历上述样本损失序列，确定样本损失最大的样本作为目标难样本，然后可以采用HES模型将样本损失序列中的非难样本剔除，得到特征图中的难样本数。可以理解的是，上述非难样本的样本损失小于目标难样本的样本损失，非难样本的IoU大于第一超参数。进而，采样系统可以利用NMS操作把样本序列中比该难样本损失小且交并比(intersection-over-union，IoU)大于设定的NMS阈值的样本剔除出序列，再重复上述操作直至找到预先设定数量的难样本。具体实现时可以如下式：
Figure BDA0001987424120000051
其中，LHES为当前处理的样本序列，Sort为一种排序计算，Thresh为设定的NMS阈值。
在可选实施例中，采样系统可以采用和上述特征图同样维度的矩阵M点积乘该特征图，得到其对应的更新特征图，可以理解的是，两个相同维度的矩阵对应元素相乘得到还是原来维度的矩阵。例如，特征图为F，更新特征图为
Figure BDA0001987424120000052
则HES模型可以解释成如下的等式，
Figure BDA0001987424120000053
其中，
Figure BDA0001987424120000054
是HES模型的输出，
Figure BDA0001987424120000056
是点积乘，
Figure BDA0001987424120000055
和F具有相同的维度。进一步的，上述系统可以对更新特征图计算损失并进行损失反向传播，更新上述深度学习模型中的模型参数。保证上述深度学习模型的检测准确性和实效性。
可以理解的是，上述M矩阵中的初始元素均为0。可选的，系统可以将上述特征图中确定为难样本的样本点对应的位置确定为目标位置，进一步的，可以将M矩阵中和目标位置相对应的位置处的元素置为1。即，当特征图中的某个位置为难样本时，M中样本对应位置的元素置为1。
S103，根据第二超参数和特征图中的样本数计算特征图中的预设难样本数。
具体的，上述采用系统可以根据第二超参数和特征图中的样本数计算特征图中的预设难样本数。可以理解的是，第二超参数可以是特征图中的预设难样数本占特征图中难样本数的比例ratio，预设难样本数可以是预先设定数量的难样本的数。上述特征图中的预设难样本数可以通过特征图中的难样本数与ratio相乘得到。
在本发明实施例中，通过采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图，再基于第一超参数确定特征图中的难样本数，然后根据第二超参数和特征图中的样本数计算特征图中的预设难样本数。通过引入两个超参数分析特征图中的难样本，提高了难样本挖掘的速度，再基于HES模型对特征图进行处理，更新目标检测模型的参数，保证了最终的检测精度和时效性。
在本发明实施例的一种具体实现方式中，难样本采样方法的实现过程可以如图2所示，可以包括步骤S201-S204。
S201，输入训练图片。
S202，经过物体检测网络得到最终特征图F。
S203，特征图F经过HES模型得到特征图
Figure BDA0001987424120000061
S204，对特征图
Figure BDA0001987424120000062
计算损失并进行反向传播。
具体实现中，采样过程可以参见上述方法实施例中的具体描述，此处不再赘述。
下面将结合附图3-附图5，对本发明实施例提供的难样本采样系统进行详细介绍。需要说明的是，3-附图5所示的采样系统，用于执行本发明图1和图2所示实施例的方法，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明图1和图2所示的实施例。
请参见图3，为本发明实施例提供了一种难样本采样系统的结构示意图。如图3所示，本发明实施例的所述采样系统1可以包括：特征图获取模块11、难样本确定模块12、13、特征图更新模块14、模型参数更新模块15、目标位置确定模块16和元素设置模块17。其中，难样本确定模块12可以包括样本划分单元121、损失计算单元122、样本排序单元123和难样本确定单元124；难样本确定单元124可以包括目标确定子单元1241和样本剔除子单元1242。
特征图获取模块11，用于采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图。
具体实现中，特征图获取模块11可以采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图，可以理解的是，上述深度学习模型可以是深度神经网络模型或者深度卷积神经网络模型等，训练图像数据可以是原始的未经处理的图像。可选的，特征图获取模块11可以经过骨干网和yolo检测头得到训练图像数据最终预测的特征图。其中，yolo检测头可以是一阶段的数学模型。上述特征图可以是通过对角线定点坐标确定的特征区域，或者是通过中心点坐标以及长宽确定的特征区域。
难样本确定模块12，用于基于第一超参数确定特征图中的难样本数。
具体实现中，难样本确定模块12可以基于第一超参数确定特征图中的难样本数，可以理解的是，第一超参数可以是NMS阈值，特征图中的总样本数与特征图的大小相关，数量是固定的。采样系统可以基于NMS阈值在NMS操作中找到特征图中数量不定的难样本。在可选实施例中，采用系统1可以根据特征图的大小确定特征图中的样本数。
在可选实施例中，难样本确定模块12可以包括如图4所示的样本划分单元121、损失计算单元122、样本排序单元123和难样本确定单元124。
具体实现中，样本划分单元121可以根据特征图中各元素的预测信息将各元素划分至不同的样本中，如果预测的坐标和类别信息属于同一物体，就可以将对应的元素划分至同一样本中。进一步的，损失计算单元122可以计算各样本的样本损失，可选的，可以通过下面的函数定义样本损失：
Figure BDA0001987424120000071
其中，
Figure BDA0001987424120000072
为样本损失，
Figure BDA0001987424120000073
为一个样本里坐标信息的损失，
Figure BDA0001987424120000074
为一个样本里类别信息的损失。进一步的，样本排序单元123可以根据各样本的样本损失的大小对各样本进行排序，组成样本损失序列，优选的，可以按照样本损失递减顺序进行排序。进一步的，难样本确定单元124可以基于NMS阈值在上述样本损失序列中确定特征图中不定数量的难样本数。
在可选实施例中，难样本确定单元124可以包括如图5所示的目标确定子单元1241和样本剔除子单元1242。
具体实现中，目标确定子单元1241可以遍历上述样本损失序列，确定样本损失最大的样本作为目标难样本，然后样本剔除子单元1242可以采用HES模型将样本损失序列中的非难样本剔除，得到特征图中的难样本数。可以理解的是，上述非难样本的样本损失小于目标难样本的样本损失，非难样本的IoU大于第一超参数。进而，样本剔除子单元1242可以利用NMS操作把样本序列中比该难样本损失小且交并比(intersection-over-union，IoU)大于设定的NMS阈值的样本剔除出序列，再重复上述操作直至找到预先设定数量的难样本。具体实现时可以如下式：
Figure BDA0001987424120000075
其中，LHES为当前处理的样本序列，Sort为一种排序计算，Thresh为设定的NMS阈值。
在可选实施例中，特征图更新模块14可以采用和上述特征图同样维度的矩阵M点积乘该特征图，得到其对应的更新特征图，可以理解的是，两个相同维度的矩阵对应元素相乘得到还是原来维度的矩阵。例如，特征图为F，更新特征图为
Figure BDA0001987424120000076
则HES模型可以解释成如下的等式，
Figure BDA0001987424120000081
其中，
Figure BDA0001987424120000082
是HES模型的输出，
Figure BDA0001987424120000084
是点积乘，
Figure BDA0001987424120000083
和F具有相同的维度。进一步的，模型参数更新模块15可以对更新特征图进行损失反向传播，更新上述深度学习模型中的模型参数。保证上述深度学习模型的检测准确性和实效性。
可以理解的是，上述M矩阵中的初始元素均为0。可选的，目标位置确定模块16可以将上述特征图中确定为难样本的样本点对应的位置确定为目标位置，进一步的，元素设置模块17可以将M矩阵中和目标位置相对应的位置处的元素置为1。即，当特征图中的某个位置为难样本时，M中样本对应位置的元素置为1。
预设样本计算模块13，用于根据第二超参数和特征图中的样本数计算特征图中的预设难样本数。
具体实现中，预设样本计算模块13可以根据第二超参数和特征图中的样本数计算特征图中的预设难样本数。可以理解的是，第二超参数可以是特征图中的预设难样数本占特征图中难样本数的比例ratio，预设难样本数可以是预先设定数量的难样本的数。上述特征图中的预设难样本数可以通过特征图中的难样本数与ratio相乘得到。
在本发明实施例中，通过采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图，再基于第一超参数确定特征图中的难样本数，然后根据第二超参数和特征图中的样本数计算特征图中的预设难样本数。通过引入两个超参数分析特征图中的难样本，提高了难样本挖掘的速度，再基于HES模型对特征图进行处理，更新目标检测模型的参数，保证了最终的检测精度和时效性。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种难样本采样方法，其特征在于，包括：
采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图；
基于第一超参数确定所述特征图中的难样本数；
根据第二超参数和所述特征图中的样本数计算所述特征图中的预设难样本数；第一超参数是非最大值抑制值阈值；
所述基于第一超参数确定所述特征图中的难样本数包括：基于非最大值抑制阈值在非最大值抑制操作中找到特征图中数量不定的难样本数；
第二超参数是特征图中的预设难样数本占特征图中难样本数的比例；
所述预设难样本数是通过特征图中的难样本数与特征图中的预设难样数本占特征图中难样本数的比例相乘得到。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在基于第一超参数确定所述特征图中的难样本数时，所述方法还包括：
根据所述特征图中各元素的预测信息将所述各元素划分至不同的样本中；
计算各样本的样本损失；
根据各样本的样本损失的大小对所述各样本进行排序，组成样本损失序列；
基于所述第一超参数在所述样本损失序列中确定所述特征图中的难样本数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在基于所述第一超参数在所述样本损失序列中确定所述特征图中的难样本数时，所述方法还包括：
遍历所述样本损失序列，确定样本损失最大的样本作为目标难样本；
采用HES模型将所述样本损失序列中的非难样本剔除，得到所述特征图中的难样本数；
其中，所述非难样本的样本损失小于所述目标难样本的样本损失，所述非难样本的IoU大于第一超参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用和所述特征图同样维度的矩阵M点积乘所述特征图，得到所述特征图对应的更新特征图；
对所述更新特征图计算损失并进行损失反向传播，更新所述深度学习模型中的模型参数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述矩阵M中的初始元素均为0。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述特征图中确定为难样本的样本点对应的位置确定为目标位置；
将所述矩阵M中和所述目标位置相对应的位置处的元素置为1。
7.一种难样本采样系统，其特征在于，包括：
特征图获取模块，用于采用深度学习模型获取所输入的训练图像数据对应的特征图；
难样本确定模块，用于基于第一超参数确定所述特征图中的难样本数；
预设样本计算模块，用于根据第二超参数和所述特征图中的样本计算所述特征图中的预设难样本数；
第一超参数是非最大值抑制值阈值；
所述基于第一超参数确定所述特征图中的难样本数包括：基于非最大值抑制阈值在非最大值抑制操作中找到特征图中数量不定的难样本数；
第二超参数是特征图中的预设难样数本占特征图中难样本数的比例；
所述预设难样本数是通过特征图中的难样本数与特征图中的预设难样数本占特征图中难样本数的比例相乘得到。
8.根据如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述难样本确定模块包括：
样本划分单元，用于根据所述特征图中各元素的预测信息将所述各元素划分至不同的样本中；
损失计算单元，用于计算各样本的样本损失；
样本排序单元，用于根据各样本的样本损失的大小对所述各样本进行排序，组成样本损失序列；
难样本确定单元，用于基于所述第一超参数在所述样本损失序列中确定所述特征图中的难样本数。
9.根据如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述难样本确定单元包括：
目标确定子单元，用于遍历所述样本损失序列，确定样本损失最大的样本作为目标难样本；
样本剔除子单元，用于采用HES模型将所述样本损失序列中的非难样本剔除，得到所述特征图中的难样本数；
其中，所述非难样本的样本损失小于所述目标难样本的样本损失，所述非难样本的IoU大于第一超参数。
10.根据如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
特征图更新模块，用于采用和所述特征图同样维度的矩阵M点积乘所述特征图，得到所述特征图对应的更新特征图；
模型参数更新模块，用于对所述更新特征图计算损失并进行损失反向传播，更新所述深度学习模型中的模型参数。
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