CN112861626A - 基于小样本学习的细粒度表情分类方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于小样本学习的细粒度表情分类方法。首先将训练集图像划分为support set和query set,并且输入到网络模型中,计算support set中图像的类特征中心和query set图像的特征中心,再用Cosine分类器计算两者之间的相似度,并输出预测类别,计算损失函数值,进行反向传播迭代训练,得到训练好的网络模型;然后,将测试集图像也划分为support set和query set,并利用训练好的网络得到其表情分类预测结果。本发明能够实现细粒度表情数据分类,且具有较高的表情分类准确度。
Description
技术领域
本发明属于小样本学习技术领域,具体涉及一种基于小样本学习的细粒度表情分类方法。
背景技术
人类非常擅长通过极少量的样本识别一个新物体,比如小孩子只需要书中的一些图片就可以认识什么是“斑马”,什么是“犀牛”。在人类的快速学习能力的启发下,研究人员希望机器学习模型在学习了一定类别的大量数据后,对于新的类别,只需要少量的样本就能快速学习,这就是小样本学习要解决的问题。
目前的深度学习大多不能胜任跨领域任务,当模型迁移到另一个任务上时,往往需要大量数据重新训练,这与人们所想象的人工智能相距甚远——在已有的先验知识结构下,通过极少量的样本就能识别一个新物体,即小样本学习。
为了检测小样本学习方法的有效性,通常将其应用到具体的分类任务上,能够在一般的粗粒度数据集上表现良好,但在细粒度数据集上,小样本学习方法表现却欠佳,这是因为细粒度数据集种类差异非常小,给小样本学习带来了巨大的挑战,因此检验小样本学习方法是否有效的一大基准,就是比较其在细粒度数据集上的表现。目前小样本学习方法大致分为三类,第一种是基于模型的Model Based方法,旨在通过模型结构的设计快速在少量样本上更新参数,直接建立输入x和预测值P的映射函数。比如Santoro等人在文献“A.Santoro,S.Bartunov,M.Botvinick,D.Wierstra and T.Lillicrap,One-shotlearning with memory-augmented neural networks,arXiv:1605.06065,2016.”中提出使用记忆增强的方法来解决Few-shot Learning(小样本学习)任务,但是这类方法存在的问题是容易导致过拟合,因为神经网络分类器有数以千万计的参数需要优化,通过数量极少的新类样本来达到快速更新模型参数,则会导致这个问题;第二种是基于度量的MetricBased方法,其基本思想是将每个类别映射到特征空间,然后将测试图片到各个类的表征的距离进行比较,来对测试图片进行分类。其关键之处在于找到一个好的度量方法,去度量特征向量之间的相似度基准,就是比较其在细粒度数据集上的表现。第三种是基于优化的Optimization Based方法,基于梯度的优化算法无法在几步内完成优化,特别是在非凸的问题上,多种超参数的选取无法保证收敛的速度,并且新数据相对原始数据偏差较大时,分类的性能会大大下降。简言之,Optimization Based的小样本学习就是要学会如何在新的分类任务上,对分类器网络(learner)进行初始化和参数更新。这种任务的挑战是模型需要结合之前的经验和当前新任务的少量样本信息,并避免在新数据上过拟合。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于小样本学习的细粒度表情分类方法。由于之前的小样本学习算法在细粒度数据集上表现并不佳,并且现阶段没有细粒度分类的表情数据集,所以本发明首先在RAF数据集基础上进行手工标注,将每个表情细分,得到细粒度表情数据集,然后,将训练集图像输入到由特征提取器和Cosine分类器构成的网络模型,采用反向传播方式进行模型训练,得到训练好的网络模型;最后,利用训练好的网络对测试数据集进行类别预测。
一种基于小样本学习的细粒度表情分类方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:将训练集图像输入到由特征提取器和Cosine分类器构成的网络模型,采用反向传播方式进行模型训练,得到训练好的网络模型;
所述的训练集图像为对RAF数据集按照表情细分进行手工标注得到的细粒度表情数据集,由support set和query set组成,support set中的图像带有标签,query set中的图像不带标签;
所述的特征提取器是由若干卷积神经网络块组成,网络的初始权重是随机矩阵,输入图像经特征提取器提取得到其特征中心;
所述的Cosine分类器计算query set中图像的特征中心与support set中图像的类中心的Cosine相似度,并输出query set图像的预测类别;所述的类中心是指每类所包含图像的特征中心的平均值;
所述的网络模型的损失函数设定如下:
其中,Ls表示网络总损失,Lc表示中心损失,LN表示样本没有被分类到正确类别的概率负数,Lr表示类间损失,β表示惩罚项系数,为超参数,在0.1~10内取值;Lc、LN、Lr的计算公式分别如下:
其中,zi代表第i张图像提取出来的特征中心,代表第i张图像所属第k类标签的特征中心,n代表每个batch包含的图像数量,K代表整个细粒度表情数据集的类别总数,E(·,·)代表欧氏距离,代表每个batch中第k类标签的特征中心,ck表示代表第k类标签的特征中心,k的取值遍历属于一个batch的所有类别,ck'表示第k'类的特征中心,ci表示第i类的特征中心,cj表示第j类的特征中心;
步骤2:将测试集分为support set和query set,用训练好的特征提取器分别提取其特征中心,并将query set的特征中心与support set的类特征中心送入训练好的Cosine分类器中计算其相似度,以相似度最高的support set的标签类别作为query set的预测类别。
本发明的有益效果:由于采用了小样本学习技术,能够解决细粒度表情分类问题;由于设计了新的网络损失函数,能够获得较好的细粒度表情分类网络模型,从而提高表情分类的准确率。
附图说明
图1是本发明基于小样本学习的细粒度表情分类方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,本发明包括但不仅限于下述实施例。
如图1所示,本发明提供了一种基于小样本学习的细粒度表情分类方法,其具体实现过程如下:
1、网络训练
由于之前的小样本学习算法在细粒度数据集上表现并不佳,并且现阶段没有细粒度分类的表情数据集,所以本发明首先在RAF数据集基础上进行手工标注,将每个表情细分,如高兴分为低中高三个程度等,得到细粒度表情数据集,作为网络的训练数据集,分为support set和query set,support set是带有标签的,而query set是不带有标签的。
将训练集图像送入特征提取器,特征提取器是由卷积神经网络组成,即由若干卷积神经网络块组成,卷积神经网络块包括卷积核、批标注化和ReLu激活函数。卷积神经网络的初始权重是随机矩阵,support set经过特征提取器后,得到一组特征向量,而这组特征向量的平均特征向量则被称为当前类的特征中心(即每类所包含图像的特征中心的平均值),query set经过特征提取器后,也得到特征向量,为当前图像的特征中心。
然后,将两组特征中心丢入Cosine分类器,利用Cosine相似度来计算query set图像的特征中心与support set类中心的Cosine相似度,从而输出query set图像的预测类别,并且计算出网络的损失函数值,最后,后向传播,不断迭代。
以往的细粒度分类损失函数都仅仅将减少类内方差作为重点,但类间距离同样需要被纳入考虑,本发明设计了一种新颖的细粒度分类的损失函数来解决上述问题。
CN loss是被广泛应用的细粒度损失函数,它作为Center loss的改良版,本身具有最小化类内方差的特性,除此之外,对于细粒度任务,仅仅简单地将特征向量拉到类中心是不够的,因为没有考虑到样本的难易程度,所以很难形成良好的分布,而CN loss因为在Center loss的基础上,加了一个惩罚项,能够更快更好的收敛,并且能提高识别的准确率,CN loss的公式如下:
其中,Ls表示网络总损失,Lc表示中心损失,LN表示样本没有被分类到正确类别的概率负数,β表示惩罚项系数,为超参数,取值范围为0.1-10。Lc、LN的计算公式分别如下:
其中,zi代表第i张图像提取出来的特征中心,代表第i张图像所属第k类标签的特征中心,n代表每个batch包含的图像数量,K代表每个batch的类别总数,E(·,·)代表欧氏距离,,代表每个batch中第k类标签的特征中心,ck表示代表第k类标签的特征中心,k的取值遍历属于一个batch的所有类别,ck'表示第k'类的特征中心。
尽管CN loss已经在Center loss之上做了改善,并且考虑了样本的难易程度这个问题,但是对于细粒度任务来说,类与类之间的差异同样也是很小的,最大化类间距离也需要被纳入到损失函数设计的考虑因素之内,所以损失函数设计的目标方向就是将最小化类内差异和最大化类间差异融合到一起。本发明在CN loss的基础上进行设计,设计的损失函数公式如下:
分子是CN loss,本发明增添了一个分母项Lr,Lr表示类间损失,计算公式如下:
其中,ci表示第i类的特征中心,cj表示第j类的特征中心。可以看到,Lr等于每类的特征中心两两相减,再将相减的结果加和,之所以将其作为分母项,是因为若类之间差异较小,则Lr的值则小,反之则大,为了让Ls的值越来越小,则需要分子越来越小,分母越来越大,所以在CN loss的基础上加了一个分母项。
2、分类
当模型训练结束后,得到训练好的网络,包括训练好的特征提取器的参数。将测试集分为support set和query set,利用训练好的特征提取器提取它们的特征中心,并且将query set的特征中心与support set的类特征中心送入Cosine分类器中计算其相似度,相似度最高的support set的标签类别为query set的预测类别。
为验证本发明方法的有效性,在中央处理器为Intel Core i7-9750H、图形处理器为NVIDIA GeForce GTX2070、Ubuntu 18.04操作系统上,利用PyTorch框架并结合Pycharm软件进行的仿真实验。实验中使用的数据包括CUB2013数据集、mini-ImageNet数据集和本发明在RAF数据集基础上手工标注的数据集。
首先,需要对数据集进行预处理,比如CUB2013数据集,其包含200类鸟的图像,但是每张图像大小不一,而神经网络所需要的图像大小是固定的,所以利用python对其进行批量裁剪,固定其尺寸。
同时,采用交叉对比实验来进行方法有效性验证,即在测试时,在公有数据集CUB2013数据集、mini-ImageNet数据集上采用本发明方法和目前的小样本学习算法Matchingnet方法、MAML方法和RelationNet方法进行分类处理,其中,设定1-shot和5-shot分类(1-shot代表support set中每个类别1张图像,5-shot代表support set中,每个类别5张图像),分类准确度如表1所示。然后,分别在本发明标注的RAF数据集上采用本发明方法和三种已有的小样本学习的算法进行处理,分类准确度如表2所示。
由表1可以看出,本发明方法在CUB2013数据集上,5-shot时表现优异,优于其他算法,在mini-ImageNet数据集上,表现也和RelationNet方法旗鼓相当,证明了本发明方法的有效性。对比表1和表2可以看出,本发明方法在手工标注的RAF数据集上可以取得更好的结果,更好地证明了本发明方法的有效性。
表1
表2
Claims (1)
1.一种基于小样本学习的细粒度表情分类方法,其特征提取步骤如下:
步骤1:将训练集图像输入到由特征提取器和Cosine分类器构成的网络模型,采用反向传播方式进行模型训练,得到训练好的网络模型;
所述的训练集图像为对RAF数据集按照表情细分进行手工标注得到的细粒度表情数据集,由support set和query set组成,support set中的图像带有标签,query set中的图像不带标签;
所述的特征提取器是由若干卷积神经网络块组成,网络的初始权重是随机矩阵,输入图像经特征提取器提取得到其特征中心;
所述的Cosine分类器计算query set中图像的特征中心与support set中图像的类中心的Cosine相似度,并输出query set图像的预测类别;所述的类中心是指每类所包含图像的特征中心的平均值;
所述的网络模型的损失函数设定如下:
其中,Ls表示网络总损失,Lc表示中心损失,LN表示样本没有被分类到正确类别的概率负数,Lr表示类间损失,β表示惩罚项系数,为超参数,在0.1~10内取值;Lc、LN、Lr的计算公式分别如下:
其中,zi代表第i张图像提取出来的特征中心,代表第i张图像所属第k类标签的特征中心,n代表每个batch包含的图像数量,K代表整个细粒度表情数据集的类别总数,E(·,·)代表欧氏距离,代表每个batch中第k类标签的特征中心,ck表示代表第k类标签的特征中心,k的取值遍历属于一个batch的所有类别,ck'表示第k'类的特征中心,ci表示第i类的特征中心,cj表示第j类的特征中心;
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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