如何使用NTS理解細(xì)粒度圖像分類

自從2012年的ILSVRC競(jìng)賽Alexnet贏得冠軍以來(lái)，計(jì)算機(jī)視覺已經(jīng)非常出色了。這是人們?cè)陂_始研究這項(xiàng)快速發(fā)展的技術(shù)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到的說(shuō)法。這個(gè)博客是為了理解細(xì)粒度視覺分類(FGVC)這一具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，下面的文章將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)描述。

有關(guān)Pytorch代碼實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)參考以下github庫(kù)：https://github.com/yangze0930/NTS-Net

在這個(gè)過(guò)程中，人們可以理解最初可能面臨的挑戰(zhàn)，以及如何使用本文有趣的架構(gòu)從剛開始時(shí)的42%達(dá)到87%的驗(yàn)證精度(數(shù)字是基于我的經(jīng)驗(yàn))。使用的數(shù)據(jù)集是FGVC Aircraft variant。后面，我還在Stanford-Cars數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了訓(xùn)練。

第一部分：初始嘗試和誤差

細(xì)粒度視覺分類

我們知道，視覺分類任務(wù)指創(chuàng)建一個(gè)模型來(lái)捕獲從輸入圖像到相應(yīng)輸出類的關(guān)系。然而，F(xiàn)GVC的任務(wù)和普通的分類不太一樣，因?yàn)轭悆?nèi)差異比類間差異更多。這就是為什么我們的目標(biāo)是在視覺上類似的類中捕獲有區(qū)別的特征。尋找這樣的特征具有挑戰(zhàn)性。此外，對(duì)樣本中信息最豐富的區(qū)域進(jìn)行邊界框的標(biāo)注代價(jià)昂貴。

當(dāng)開始處理問(wèn)題時(shí)，可以使用圖像分類的一般方法，即使用標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)訓(xùn)練模型，并對(duì)其進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到正確的任務(wù)參數(shù)集合。如本文所述，以下鏈接的數(shù)據(jù)集有三個(gè)層次進(jìn)行分類，即manufacturer、family和variant 層次。細(xì)粒度分類是variant級(jí)別的。

開始的時(shí)候，我使用標(biāo)準(zhǔn)的pre-trained模型，并嘗試了不同的調(diào)整，在manufacturer上能得到66%的驗(yàn)證準(zhǔn)確性，在variant上可以得到42%的準(zhǔn)確率，嘗試了NTS后，在variant上第一次就可以得到87%。對(duì)于像我這樣的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，理解一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題的工作代碼并獲得正確的見解是非常有幫助的。

第二部分：是什么導(dǎo)致了這個(gè)效果

NTS-NET

如前所述，收集每個(gè)樣本中信息最豐富區(qū)域的邊界框的標(biāo)注樣本是非常昂貴的。這正是本文所提供的幫助。它有效地局部化了這些信息區(qū)域，而不需要邊界框標(biāo)注。

本文中創(chuàng)建的模型稱為NTS-NET，使用三個(gè)協(xié)同工作的“agent”在基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集( FGVC aircraft、Stanford Cars、Caltech-UCSD Birds)中實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)的性能。

這三個(gè)代理被定義為Navigator、Teacher和Scrutinizer。讓我們討論一下它們的作用。

The Navigator agent 網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航模型，以關(guān)注信息最豐富的區(qū)域。對(duì)于圖像中的每個(gè)區(qū)域，Navigator通過(guò)對(duì)損失排序來(lái)預(yù)測(cè)該區(qū)域的信息量(如下所述)，并利用這些預(yù)測(cè)來(lái)提出信息最豐富的區(qū)域。現(xiàn)在的問(wèn)題是：如何在圖像中得到有用的可變長(zhǎng)度的“區(qū)域”？好了，這個(gè)問(wèn)題前面已經(jīng)有了答案，所以請(qǐng)耐心等待我來(lái)理解每個(gè)agent的高級(jí)功能。

Teacher agent 對(duì)Navigator提出的信息量最大的區(qū)域進(jìn)行評(píng)估，并提供反饋：對(duì)于每個(gè)提出的區(qū)域，Teacher評(píng)估其概率為ground-truth class。置信度評(píng)估指導(dǎo)navigator網(wǎng)絡(luò)使用排序一致性損失函數(shù)(在代碼實(shí)現(xiàn)中稱為“ranking loss”)，提出信息更豐富的區(qū)域。

當(dāng)teacher提供更精確的監(jiān)督時(shí)，navigator會(huì)將更多的信息區(qū)域局部化，從而使teacher受益。

Scrutinizer agent 從Navigator中對(duì)提出的區(qū)域進(jìn)行審查并進(jìn)行細(xì)粒度分類：將每個(gè)提出的區(qū)域擴(kuò)大到相同大小，agent從中提取特征，將區(qū)域特征與整幅圖像的特征聯(lián)合處理，進(jìn)行細(xì)粒度分類，是解決這一復(fù)雜問(wèn)題的主要方法。

信息區(qū)域有助于更好地表征物體，因此將信息區(qū)域的特征與全圖像融合將獲得更好的性能。

因此，目標(biāo)是局部化物體中信息最豐富的區(qū)域。

現(xiàn)在讓我們回到上面討論的問(wèn)題，即如何在圖像中得到有用的可變長(zhǎng)度“區(qū)域”？導(dǎo)航到可能的信息區(qū)域可以看作是在R-CNN論文中引入的區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)(RPN)的問(wèn)題，我將在這里討論它的相關(guān)性。

第1節(jié)：區(qū)域建議

在討論區(qū)域建議如何在NTS上實(shí)施之前，我應(yīng)該先簡(jiǎn)單介紹一下它的起源。如果你知道，請(qǐng)隨意跳過(guò)這個(gè)部分。

有幾個(gè)進(jìn)行區(qū)域建議的方法：

i) 滑動(dòng)窗口：滑動(dòng)窗口中，你在所有固定大小的滑動(dòng)圖像的窗口上運(yùn)行一個(gè)訓(xùn)練分類器，然后運(yùn)行檢測(cè)器來(lái)查看物體是什么。我們可以使用這種算法，但缺點(diǎn)是它可能會(huì)檢查許多這樣的沒(méi)有物體的窗口，因此提出了R-CNN算法。

ii) R-CNN：在這個(gè)方法中進(jìn)行分割算法，獲取可能包含物體的區(qū)域，只在這些區(qū)域上運(yùn)行分類器。缺點(diǎn)是速度慢，因?yàn)榻ㄗh的區(qū)域一次只分類一個(gè)類別。

iii) Fast R-CNN：用分割算法進(jìn)行區(qū)域建議，與R-CNN不同的是，所有建議的區(qū)域都使用卷積式滑動(dòng)窗口實(shí)現(xiàn)同時(shí)分類。

iv) Faster R-CNN：使用區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱RPN，它需要錨(以不同的大小、尺度和長(zhǎng)寬比分布在圖像各處的邊界框)和ground truth邊界框來(lái)建議信息區(qū)域，而不是傳統(tǒng)的分割算法。

第2節(jié)：NTS中的區(qū)域建議是什么樣的？

在本文中，默認(rèn)的錨被放置在整個(gè)圖像中，而NTS-model，通過(guò)代碼實(shí)現(xiàn)中的自定義損失(學(xué)習(xí)是因?yàn)?/em>我們沒(méi)有使用帶標(biāo)注的邊框)從這些錨點(diǎn)中學(xué)習(xí)了最具信息的錨點(diǎn)。這些錨定義了代碼中定義的由Prosposal_Net(或Navigator Network)給出的建議區(qū)域的坐標(biāo)，并使用NMS(非最大抑制)去除冗余(重疊區(qū)域)并給出top_n的建議區(qū)域。

第3節(jié)：NTS-NET中各種損失的描述

在論文中使用的自定義損失有很多，后來(lái)累計(jì)在總損失中，即原始損失、concat損失、rank損失和part_cls損失。

注：代碼中使用的損失術(shù)語(yǔ)與論文中的不同，分別是Navigator、Teacher和Scrutinizer的損失，這里我使用代碼中使用的損失。

Total loss= Raw_loss+Rank_loss+Concat_loss+Part_cls_loss

注：我們使用RESNET50模型作為原始圖像和建議區(qū)域的特征提取器。

RAW LOSS：這是針對(duì)RESNET網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的圖像分類的分類交叉熵?fù)p失。我們對(duì)原始圖像的特征進(jìn)行raw loss，然后將其與我們的建議區(qū)域圖像的特征結(jié)合進(jìn)行細(xì)粒度分類。這里的輸出是圖像的標(biāo)簽。

CONCAT LOSS：在Scrutinizer網(wǎng)絡(luò)中，我們從原始圖像特征和建議區(qū)域特征CONCAT，輸入到這個(gè)分類交叉熵?fù)p失中國(guó)，輸出圖像的標(biāo)簽。

PART LOSS(LIST LOSS)：它被用作navigator網(wǎng)絡(luò)的反饋，因?yàn)樵谶@里我們找到了每個(gè)建議的圖像和它的ground truth類之間的交叉熵?fù)p失。

RANK LOSS：使用top_n rpn分?jǐn)?shù)(建議區(qū)域特征)和相應(yīng)的損失作為每一個(gè)建議區(qū)域收到的反饋損失的一部分，對(duì)于每一個(gè)建議區(qū)域，所有排序在建議區(qū)域之前的loss添加到rank loss中，這樣rank loss可以進(jìn)行優(yōu)化。

PART_CLS LOSS：這是部分特征和標(biāo)簽之間的交叉熵?fù)p失。部分特征使用代碼中定義的part_images從RESNET-50中提取，該代碼使用top_n建議區(qū)域的坐標(biāo)從原始圖像中生成。

現(xiàn)在part loss和part_cls損失是相同的，但是part_cls損失對(duì)total損失有貢獻(xiàn)，而其他loss則沒(méi)有，并且part_loss在rank loss中還用作指導(dǎo)/反饋。