深度掩膜布朗距離協(xié)方差小樣本分類方法

摘 要：針對(duì)小樣本學(xué)習(xí)中，布朗距離協(xié)方差通過改善特征嵌入提升分類精度，但未聚焦分類中樣本相關(guān)性特征的問題，提出了深度掩膜布朗距離協(xié)方差方法。該方法通過每對(duì)查詢集與支持集之間的高維語意關(guān)系，生成查詢引導(dǎo)掩膜，并將掩膜后的布朗距離協(xié)方差矩陣用作圖像特征表示。分別在5way-1shot和5way-5shot情形下，對(duì)CUB-200-211、Mini-ImageNet及Tiered-ImageNet數(shù)據(jù)集進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明，深度掩膜布朗距離協(xié)方差方法取得了更優(yōu)的分類精度。

關(guān)鍵詞：小樣本學(xué)習(xí)；掩膜；布朗距離協(xié)方差；圖像識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-3695（2024）07-044-2229-06

doi： 10.19734/j.issn.1001-3695.2023.09.0514

Deep mask Brownian distance covariance for few-shot classification

Abstract： In few-shot learning， the Brownian distance covariance improves classification accuracy by enhancing feature embeddings， but it does not focus on the issue of sample-related features in classification. This paper proposed the deep masked Brownian distance covariance method that generated query-guided masks based on high-dimensional semantic relationships between each pair of query and support samples， and employed the masked Brownian distance covariance matrix as the image features. Under the 5way-1shot and 5way-5shot scenarios， it carried out validation and evaluation on CUB-200-211， Mini-ImageNet， and Tiered-ImageNet datasets. The experiments show that this method achieves superior classification accuracy.

Key words：few-shot learning; mask; Brownian distance covariance; image recognition

0 引言

人工智能技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，大數(shù)據(jù)的處理與運(yùn)用正逐步成為衡量科技水平的一大重要標(biāo)準(zhǔn)。深度學(xué)習(xí)（deep lear-ning）作為人工智能技術(shù)中不可或缺的一環(huán)，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、圖像識(shí)別、情感分析、文本辨識(shí)等領(lǐng)域，其借助海量數(shù)據(jù)支撐計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)，達(dá)到解決實(shí)際問題的目的，并取得了矚目的成果。這些優(yōu)異的成績都要依托于蓬勃發(fā)展的算力資源，促進(jìn)機(jī)器從大量的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)知識(shí)信息，并應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。然而并不是所有的問題都有與之適應(yīng)的海量數(shù)據(jù)用作訓(xùn)練。諸如，瀕危動(dòng)物識(shí)別、軍事武器識(shí)別、罕見疾病識(shí)別等。由于其已知樣本稀少的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)方法在識(shí)別精度方面明顯捉襟見肘，所以小樣本學(xué)習(xí)（few-shot learning，F(xiàn)SL）［1，2］的概念應(yīng)運(yùn)而生。

小樣本學(xué)習(xí)的靈感源于實(shí)際生活，人類可以在只有少量學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)或圖像的情況下習(xí)得相關(guān)知識(shí)，認(rèn)識(shí)新事物。例如：資深的醫(yī)生能通過少數(shù)的癥狀來判斷患者是否患有某種罕見疾病。這不同于深度學(xué)習(xí)中圖像識(shí)別需要大量訓(xùn)練代價(jià)，即對(duì)海量圖像數(shù)據(jù)訓(xùn)練，且對(duì)訓(xùn)練圖像的獲取及標(biāo)注也有一定要求，從而耗費(fèi)巨大的時(shí)間和人力成本。小樣本學(xué)習(xí)的出現(xiàn)，旨在通過極少量的樣本學(xué)習(xí)，高效地獲取知識(shí)，賦予機(jī)器快速學(xué)習(xí)的能力。

目前小樣本學(xué)習(xí)還面臨著諸多挑戰(zhàn)：由于只有極少量的樣本，提取的信息量有限；如何利用好暨有的樣本信息，避免過擬合，更加精準(zhǔn)地進(jìn)行識(shí)別顯得至關(guān)重要。當(dāng)前較為有效的方法是基于遷移學(xué)習(xí)的方法，它包含基于度量的學(xué)習(xí)方法［3］和基于元學(xué)習(xí)的方法。遷移學(xué)習(xí)方法將數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集（training set）、支持集（support set）和查詢集（query set）三個(gè)部分。度量學(xué)習(xí)方法中，通常用歐氏距離或余弦距離衡量支持集和查詢集之間的相似性，以識(shí)別查詢集樣本。而元學(xué)習(xí)方法（meta-learning），亦稱學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)（learning to learn），主要通過大量的先驗(yàn)任務(wù)學(xué)習(xí)元知識(shí)，繼而指導(dǎo)模型在后續(xù)新的小樣本任務(wù)中更快地學(xué)習(xí)。兩者都采用了episodic training的訓(xùn)練模式，將數(shù)據(jù)集細(xì)分為多個(gè)小的子任務(wù)進(jìn)行訓(xùn)練。

小樣本學(xué)習(xí)經(jīng)過近些年的研究與發(fā)展，可應(yīng)對(duì)不同的使用場(chǎng)景，萌生了諸多優(yōu)秀的方法。Snell等人［4］提出了原型網(wǎng)絡(luò)（prototypical network，ProtoNet），通過將分類問題看作是尋找語義上的類中心點(diǎn)的方式，不斷擬合類別中心，提煉類原型，用作分類。隨后，Sung等人［5］提出了關(guān)系網(wǎng)絡(luò)（relation network，RN），利用4層的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取低維嵌入，并使用ReLU函數(shù)進(jìn)行相似性度量。在此基礎(chǔ)上，Zhang等人［6］提出了深度比較網(wǎng)絡(luò)（deep comparison network，DCN），將關(guān)系模塊與嵌入學(xué)習(xí)模塊細(xì)分成多個(gè)子模塊，并一一對(duì)應(yīng)建立聯(lián)系，各自打分并計(jì)算匹配度。Yu等人［7］提出了多任務(wù)聚類元學(xué)習(xí)方法，根據(jù)任務(wù)生成多個(gè)簇，每個(gè)簇具有相似的任務(wù)，模型參數(shù)由各簇的適應(yīng)參數(shù)線性表示。Wang等人［8］提出了任務(wù)感知特征嵌入網(wǎng)絡(luò)（TAFE-Net），首次將標(biāo)簽嵌入納入到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中來對(duì)圖像特征的權(quán)重進(jìn)行預(yù)測(cè)，使得語義信息與圖像信息融合。Tian等人［9］提出了基于優(yōu)秀嵌入的方法（good embedding），探討了特征嵌入表示在小樣本學(xué)習(xí)任務(wù)中的重要性，與傳統(tǒng)元學(xué)習(xí)方法比較，僅在微調(diào)（fine-tunning）階段就能達(dá)到與之相似的效果，為小樣本學(xué)習(xí)打開了一扇新的大門。Zhang等人［10］提出基于推土距離的小樣本學(xué)習(xí)方法（differentiable earth mover’s distance，EMD），借助差分EMD用于圖像區(qū)域間的最佳匹配運(yùn)算，借助大量的計(jì)算獲得了不俗的性能。

現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將圖像特征看作高維空間中的隨機(jī)向量，并以概率分布衡量圖像之間的相似程度。通常使用原型網(wǎng)絡(luò)（ProtoNet）對(duì)圖像表征，輔以歐幾里德距離或余弦距離進(jìn)行度量學(xué)習(xí)。Li等人［11］提出了協(xié)方差度量網(wǎng)絡(luò)（covariance metric network，CovaMNet），利用協(xié)方差矩陣的二階統(tǒng)計(jì)信息衡量查詢集樣本與支持集樣本間分布的一致性。由于缺乏對(duì)圖像局部特征的考量，Li等人［12］又提出了深度最近鄰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DN4），在網(wǎng)絡(luò)的末層使用局部描述代替圖像特征，為每個(gè)查詢樣本的局部特征計(jì)算相似性，加和后得到查詢樣本的相似性。Xie等人［13］提出深度布朗距離協(xié)方差方法（deep Brownian distance covariance，DeepBDC），在二階矩陣（covariance matrix）協(xié)同Kullback-Leiberler（KL）散度度量方法的基礎(chǔ)上，綜合考量邊緣分布（marginal distribution）和聯(lián)合分布（joint distribution）生成BDC矩陣用作圖像表征，并將成對(duì)圖像之間的BDC矩陣內(nèi)積用作類間相似度的衡量指標(biāo)，進(jìn)行分類任務(wù)。

掩膜最早應(yīng)用于CNN池化層中的最大池化，通過引入掩膜標(biāo)記最大池化位置，從而記錄最大池化前的位置信息，以解決最大池化可能導(dǎo)致的信息丟失問題。另一個(gè)重要的模型Transformer中的自注意力機(jī)制，通過計(jì)算輸入序列中不同位置之間的相關(guān)性來獲得每個(gè)位置的表示。為了處理可變長度的序，也采用掩膜來屏蔽無效位置。例如，在機(jī)器翻譯任務(wù)中，可以使用掩碼將當(dāng)前位置之后的位置屏蔽掉，以防止模型在生成目標(biāo)序列時(shí)能夠“看到”未來的信息。目前，掩膜被廣泛應(yīng)用于圖像分割、目標(biāo)檢測(cè)、圖像生成等任務(wù)中。

盡管DeepBDC方法在傳統(tǒng)方法與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中脫穎而出，取得了不俗的效果，但在特征的著重點(diǎn)上仍存在著注意力不集中的問題，使得某些相近類的重要特征權(quán)重占比不明顯，忽略了一些能夠?qū)π颖緢D像分類起到重要作用的樣本信息，使得布朗距離協(xié)方差在衡量圖像上存在短板。基于上述問題，本文的工作如下：提出一種深度掩膜布朗距離協(xié)方差方法，針對(duì)不同類別的圖像具有的特征差異化問題，在生成的布朗距離協(xié)方差矩陣中引入了掩膜的方法，指導(dǎo)查詢樣本與支持樣本進(jìn)行相似性度量時(shí)，將注意力側(cè)重在更能凸顯出某類圖像的表征上，進(jìn)而取得更為精準(zhǔn)的分類。

1 Deep Mask-BDC深度掩膜布朗距離協(xié)方差方法

1.1 布朗距離協(xié)方差

布朗距離協(xié)方差矩陣（BDC）［14］主要用于處理特征函數(shù)。設(shè)存在m維隨機(jī)向量X及n維隨機(jī)向量Y，使得X∈Euclid ExtraaBpm，Y∈Euclid ExtraaBpn，X與Y的概率分別定義為fX和fY，則聯(lián)合概率密度為fXY。此時(shí)，X和Y的聯(lián)合特征函數(shù)定義為

其中：i為虛單位；t和s為兩隨機(jī)向量。

令X、Y分別表示X和Y的特征函數(shù)，此時(shí)支持集或查詢集圖像的邊緣分布可寫為X（t）=XY（t，0）和Y（s）=XY（0，s）。當(dāng)且僅當(dāng)XY（t，s）=X（t）Y（s）時(shí)，獨(dú)立性成立。假設(shè)X和Y具有有限的一階矩，BDC度量定義為

其中：cm=π（1+m）/2/Γ（（1+m）/2），Γ為伽馬函數(shù)；‖·‖表示歐氏距離。對(duì)于形如（x1，y1），…，（xk，yk）的k個(gè)x與y的觀測(cè)值集合，BDC度量一般可根據(jù)式（3）的經(jīng)驗(yàn)特征函數(shù)定義。

其中：a和b均為BDC矩陣A和B的上三角矩陣；ρ（X，Y）為衡量分類標(biāo)準(zhǔn)的BDC度量。

1.2 深度掩膜布朗距離協(xié)方差

使用布朗距離協(xié)方差處理的圖像特征，雖然將聯(lián)合分布和邊緣分布進(jìn)行了綜合考量，但未考慮成對(duì)支持樣本與查詢樣本間獨(dú)有的分布關(guān)系。對(duì)于每個(gè)分類任務(wù)采用統(tǒng)一的分布關(guān)系，這將導(dǎo)致大量類別差異明顯的圖像被正確分類，而差異較小的圖像分類存在難以分辨的情況。掩膜方法就是應(yīng)用在成對(duì)圖像間進(jìn)行區(qū)域像素信息標(biāo)記的方法，可以通過掩膜將成對(duì)圖像間重要區(qū)域像素信息進(jìn)行標(biāo)記，解決差異化較小圖像間分類難以分辨的問題。因此本文提出一種深度掩膜布朗距離協(xié)方差方法Deep Mask-BDC，如圖1所示。

掩膜是對(duì)于同一支持樣本，通過成對(duì)查詢樣本和支持樣本間高維語義乘積關(guān)系矩陣，經(jīng)多層感知機(jī)計(jì)算得到，并結(jié)合支持集布朗距離協(xié)方差矩陣進(jìn)行相似性度量。以達(dá)到提升度量時(shí)各查詢樣本與支持樣本特征差異化的目的，即突出查詢樣本與當(dāng)前支持樣本間更為明顯的特征，對(duì)樣本差異較小的圖像分類任務(wù)作出針對(duì)性的優(yōu)化調(diào)整，并在元學(xué)習(xí)和簡單遷移學(xué)習(xí)情境下有著不同的實(shí)現(xiàn)方式。

其中：Sk為支持集圖像集合中一系列樣本。各類BDC原型矩陣與查詢集矩陣同時(shí)傳入掩膜模塊，并針對(duì)成對(duì)的支持集原型BDC矩陣和查詢集BDC矩陣采用余弦距離計(jì)算語義相關(guān)性。

基于到支持集原型類之間距離上的softmax，采用如下?lián)p失函數(shù)，其中γ為可學(xué)習(xí)尺度參數(shù)從海量的元訓(xùn)練集中抽取類別數(shù)遠(yuǎn)大于N的任務(wù)來訓(xùn)練學(xué)習(xí)器，之后持續(xù)從元測(cè)試集中抽取任務(wù)來進(jìn)行評(píng)估。

基于簡單遷移學(xué)習(xí)（simple transfer learning， STL）框架亦可增添掩膜操作提升分類精度。原始的STL方法通過在大量數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練深度網(wǎng)絡(luò)，形成已有的知識(shí)體系，并生成嵌入模型，用于提取下游任務(wù)的特征。

將包含所有類的整個(gè)元訓(xùn)練集用作訓(xùn)練圖像分類任務(wù)的基準(zhǔn)，形成嵌入模型。使用預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間的交叉熵?fù)p失來訓(xùn)練學(xué)習(xí)器。

算法1為深度掩膜布朗距離協(xié)方差方法的偽代碼實(shí)現(xiàn)過程，輸入為成對(duì)的支持樣本與查詢樣本，輸出為相似性得分結(jié)果。內(nèi)部定義了三個(gè)模塊，分別為提取特征ResNet12的骨干網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算布朗距離協(xié)方差的BDC模塊，以及通過高維語義遮掩支持樣本特征的mask模塊。

算法1 深度掩膜布朗距離協(xié)方差

2 實(shí)驗(yàn)與分析

本文采用配置為 Intel Xeon CPU E5-2680 v4 @ 2.40 GHz，30 GB RAM，NVIDIA RTX3090 24 GB，Ubuntu 20.04系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1 數(shù)據(jù)集

本文主要對(duì)Mini-ImageNet、Tiered-ImageNet及CUB-200-2011三個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。前兩者為圖像分類任務(wù)中的常用數(shù)據(jù)集，后者為細(xì)粒度圖像分類中的數(shù)據(jù)集。其中Mini-ImageNet和Tiered-ImageNet均從ImageNet 1K（ILSVRC2012）中劃分得來。具體數(shù)據(jù)集細(xì)分如表1所示。

Mini-ImageNet有100個(gè)類別，每個(gè)類別下均有600張圖像，使用Vinyals等人［19］的數(shù)據(jù)集劃分方式，且沒有將圖像大小重新設(shè)置為84×84，而是保留原始圖像尺寸作為模型輸入。

Tiered-ImageNet較之Mini-ImageNet最大的不同在于，其包含了ImageNet 1K（ILSVRC2012）中更多的類別和更多的類內(nèi)圖像。具體有34個(gè)父類，細(xì)分出608個(gè)子類，每個(gè)子類均有779 165張圖像，使得Tiered-ImageNet的類別層次結(jié)構(gòu)更加優(yōu)異，覆蓋面更廣泛。同時(shí)采用默認(rèn)的84×84圖像大小。

CUB-200-2011為鳥類細(xì)粒度數(shù)據(jù)集，其圖像尺寸設(shè)為224×224，包含100個(gè)類，每類均有1 000張圖像。

一般數(shù)據(jù)集與細(xì)粒度數(shù)據(jù)集采取不同的圖像尺寸以適用不同層次的特征提取網(wǎng)絡(luò)，與既有方法保持一致，便于對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Mini-ImageNet及Tiered-ImageNet采用ResNet-12作為骨干網(wǎng)絡(luò)，而細(xì)粒度數(shù)據(jù)集CUB-200-2011則使用較深層次的ResNet-18。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

Meta Mask-DeepBDC模型采用預(yù)訓(xùn)練的模型初始化權(quán)重參數(shù)，以原型網(wǎng)絡(luò)作為主要框架，與一般的元學(xué)習(xí)模型一致，沿用情景訓(xùn)練的模式。每一輪episodic訓(xùn)練都是5-way 1-shot或5-way 5-shot的小樣本分類任務(wù)。

特別指出的是，在計(jì)算布朗距離協(xié)方差矩陣時(shí)，各通道上的矩陣均為平方級(jí)矩陣，故采用1×1的卷積層降維，減少計(jì)算量。同時(shí)在掩膜模塊進(jìn)行操作時(shí)，生成掩膜所使用的多層感知機(jī)要根據(jù)每類樣本中已知樣本數(shù)目的不同，靈活設(shè)置卷積參數(shù)，減少推演的計(jì)算量。度量方式上，5-way 1-shot采用內(nèi)積方式度量，5-way 5-shot則采用更加普遍的歐氏距離度量。

Mask-DeepBDC方法在元學(xué)習(xí)與簡單遷移學(xué)習(xí)上應(yīng)用，并與當(dāng)前較為經(jīng)典及先進(jìn)的元學(xué)習(xí)與度量學(xué)習(xí)方法進(jìn)行了比較，其中CUB-200-2011數(shù)據(jù)集包括ProtoNet［4］、FEAT［16］、MELR［17］、MVT［18］、MatchNet［19］、LR［20］、MAML［21］、Δ-encoder［22］、Baseline++［23］、AA［24］、Neg-Cosine［25］、Laplacian-Shot［26］、FRN［27］、Good-Embed［9］、ADM［28］、CovNet［29］、Meta DeepBDC［13］、STL DeepBDC［13］。Mini-ImageNet和Tiered-ImageNet數(shù)據(jù)集包括CTM［30］、S2M2［31］、TADAM［32］、MetaOptNet［33］、DN4［12］、Baseline++、MELR、FRN、IEPT［35］、BML［36］、ProtoNet、ADM［28］、CovNet、DeepEMD［10］、Meta DeepBDC、STL DeepBDC。

從表2的CUB-200-211數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，本文所提的基于掩膜的布朗距離協(xié)方差矩陣方法無論在5-way 1-shot還是5-way 5-shot情況下，較所有基準(zhǔn)方法均有明顯提升，其中5-way 1-shot提升最為明顯。相同骨干網(wǎng)絡(luò)下，Meta Mask-DeepBDC方法與ProtoNet相比，準(zhǔn)確率分別提升了7.62%和6.86%，與基準(zhǔn)Meta DeepBDC相比準(zhǔn)確率分別提升了4.97%和2.85%。Mask STL-DeepBDC方法與Good-Embed相比，準(zhǔn)確率分別提高了7.28%和6.16%，與基準(zhǔn)STL DeepBDC相比準(zhǔn)確率分別提升了1.19%和1.08%。

表3和4分別為Mini-ImageNet和Tiered-ImageNet數(shù)據(jù)集上的結(jié)果。其中Meta Mask-DeepBDC方法在Mini-ImageNet數(shù)據(jù)集下，Meta Mask-DeepBDC方法與ProtoNet相比，準(zhǔn)確率分別提升了6.21%和6.36%，與基準(zhǔn)Meta DeepBDC相比準(zhǔn)確率分別提升了0.98%和2.67%。Tiered-ImageNet數(shù)據(jù)集下與ProtoNet相比，準(zhǔn)確率分別提升了6.58%和5.35%，與基準(zhǔn)Meta DeepBDC相比準(zhǔn)確率分別提升了2.55%和1.89%。

STL Mask-DeepBDC方法在Mini-ImageNet數(shù)據(jù)集下與Good-Embed相比，準(zhǔn)確率分別提升了3.74%和4.22%，與基準(zhǔn)STL DeepBDC相比準(zhǔn)確率分別提升了0.73%和0.91%。STL Mask-DeepBDC方法在Tiered-ImageNet數(shù)據(jù)集下與Good-Embed相比，準(zhǔn)確率分別提升了3.2%和4.05%，與基準(zhǔn)STL DeepBDC相比準(zhǔn)確率分別提升了0.9%和1.08%。

圖4、5分別為本文方法在5-way 1-shot與5-way 5-shot上與原方法對(duì)比的精確度分析圖。通過分析可知，本文算法可在布朗距離協(xié)方差矩陣充分利用圖像的邊緣分布與聯(lián)合分布進(jìn)行表征的前提下，根據(jù)查詢集樣本與支持集樣本間的語意相關(guān)性對(duì)支持集樣本附加掩膜，引導(dǎo)算法進(jìn)一步明確圖像突出特征，使得分類結(jié)果更加精確。因此，本文所提基于掩膜的深度布朗距離協(xié)方差模型擁有更高的識(shí)別精度。

為了說明深度掩膜布朗距離協(xié)方差方法對(duì)成對(duì)小樣本分類的精度提升，針對(duì)Mini-ImageNet數(shù)據(jù)集進(jìn)行了相應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果如表5所示。

本文共進(jìn)行了四組實(shí)驗(yàn)，骨干網(wǎng)絡(luò)均為ResNet-12以達(dá)到相同層次的網(wǎng)絡(luò)特征提取。由實(shí)驗(yàn)可知，ProtoNet初始在5-way 1-shot和5-way 5-shots上的精度分別為62.11%及80.77%，在引入Mask掩膜操作后，兩者均有1%左右的提升。

布朗距離協(xié)方差方法是在特征提取后，通過全連接提取原型（Proto）進(jìn)而分類的方法。在單獨(dú)實(shí)驗(yàn)過程中，精度在5-way 1-shot和5-way 5-shots上分別為67.34%與84.46%，較ProtoNet有明顯提升。在引入Mask掩膜后，精度分別又提升了0.98%和2.71%。說明掩膜布朗距離協(xié)方差能夠有效地使模型對(duì)小樣本分類作出優(yōu)化。

如圖6所示，給出了本文方法在CUB-200-211數(shù)據(jù)集中的實(shí)例結(jié)果。針對(duì)某episode下，擁有5類樣本的查詢集和2類樣本的支持集在進(jìn)行分類時(shí)，支持集1中的樣本由于與查詢集中其余樣本具有明顯的鳥類外形、顏色、鳥冠等差異，所以無論是布朗距離協(xié)方差還是深度掩膜布朗距離協(xié)方差都給出了正確的預(yù)測(cè)結(jié)果。支持集2中的黑色鳥類與查詢集中其余部YNkXxWc9aD8yCdDsUtuSVffjiKZG1tt2EBNRU6yKias=分樣本存在相似性高的問題，此時(shí)布朗距離協(xié)方差方法未能作出正確預(yù)測(cè)，而深度掩膜布朗距離協(xié)方差方法則借助掩膜將成對(duì)間樣本的特征突出化，作出了正確的預(yù)測(cè)。

2.3 消融研究及性能分析

針對(duì)實(shí)驗(yàn)的其他參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的消融實(shí)驗(yàn)，同樣是在ResNet-12骨干網(wǎng)絡(luò)下以Mini-ImageNet數(shù)據(jù)集作為參照，分別在元學(xué)習(xí)和簡單遷移學(xué)習(xí)下，對(duì)比了不同維度縮減（reduce_dim）、相似性度量及分類器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

如表6和7所示，元學(xué)習(xí)情況下，模型的維度縮減在640時(shí)達(dá)到最佳的分類精度且相對(duì)穩(wěn)定，采用的相似性度量函數(shù)在1-shot和5-shot情況下略有不同，分別在內(nèi)積和歐氏距離的方法下取得最優(yōu)精度。

如表8和9所示，簡單遷移學(xué)習(xí)下，維度縮減在128時(shí)達(dá)到最佳分類精度且相對(duì)穩(wěn)定，邏輯回歸在幾種分類中脫穎而出，取得了最優(yōu)的分類精度。

布朗距離協(xié)方差在計(jì)算時(shí)會(huì)消耗一定的時(shí)間成本，而Mask掩膜操作是成對(duì)的支持集與查詢集之間的關(guān)聯(lián)運(yùn)算，也會(huì)加重運(yùn)算的成本，提升復(fù)雜度。

如表10所示，分別在CUB-200-211和Mini-ImageNet兩個(gè)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行參數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，掩膜布朗距離協(xié)方差運(yùn)算會(huì)比單一方法的運(yùn)算更加耗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量提升并不明顯。

3 結(jié)束語

本文提出了一種深度掩膜布朗距離協(xié)方差（Deep Mask-BDC）小樣本分類方法。通過成對(duì)查詢集樣本與支持集樣本間的語意相關(guān)性，協(xié)同一個(gè)帶有單隱藏層的多層感知機(jī)計(jì)算查詢掩膜，通過豐富布朗距離協(xié)方差矩陣下成對(duì)間圖像特征的重點(diǎn)區(qū)域信息，解決小樣本圖像分類任務(wù)中部分圖像類別相似性高、分布特征不明顯的問題，并在CUB-200-211、Mini-ImageNet和Tiered-ImageNet三個(gè)常見數(shù)據(jù)集上取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明本文方法在支持集樣本數(shù)量更低或細(xì)粒度圖像下，產(chǎn)生了更優(yōu)異的分類精度，因此在未來的小樣本研究中，可拓展到細(xì)粒度圖像領(lǐng)域中或更少的1-shot小樣本分類任務(wù)中。

此外，本文方法尚存在以下不足之處：a）對(duì)于掩膜的計(jì)算是通過每一個(gè)成對(duì)查詢樣本和支持樣本得來的，在提升計(jì)算效率上還有改進(jìn)的空間；b）實(shí)驗(yàn)中，5way-1shot精確度提升幅度明顯高于5way-5shot，且在細(xì)粒度數(shù)據(jù)集CUB-200-211上提升更為明顯，說明本文方法在普適性上有待加強(qiáng)；c）簡單遷移學(xué)習(xí)的方法實(shí)例中，測(cè)試驗(yàn)證階段采用邏輯回歸分類器，使得分類時(shí)所使用的掩膜支持樣本必須契合當(dāng)前查詢樣本，因而存在計(jì)算成本過高的問題。

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