【计算机视觉】计算机视觉与深度学习-02-图像分类-北邮鲁鹏老师课程笔记

图像分类任务

从已知的类别标签集合中为给定的输入图片选定一个类别标签。

图像分类任务是计算机视觉中的核心任务，其目标是根据图像信息中所反映的不同特征，把不同类别
的图像区分开来。

图像分类任务应用场合

百度图片搜索
商品图片识别

图像分类任务难点

视角

物体不同视角的照片，像素值有巨大差异

光照

尺度

遮挡

形变

背景杂波

照片中的背景与物体颜色相似时，不容易识别物体

类内形变

运动模糊

需要算法将运动模糊恢复

类别繁多

基于规则的分类方法

硬编码

硬编码：将输入给到函数的参数，经过函数的处理，返回结果。

通过硬编码的方法识别猫或其他类，是一件很困难的事。因为不可能预先知道所有猫的不同形态，可能图片中的猫有各种姿势，通过函数中几种固定的边缘数据，无法识别出千千万万不同光照、有遮挡等比较难识别的物体。

人脸识别可用硬编码识别，因为人脸的图片相对固定，一个嘴巴两只眼镜，但即使是这样，识别也很困难，需要adaboost等算法进行识别。

数据驱动的图像分类

数据驱动的图像分类步骤

数据集构建

有标签（监督）

无标签（无监督）

分类器设计与学习（关键）

从数据集中归纳出规律，找出数学模型及其参数。

图像表示

像素表示

全局特征表示（如GIST）

适用于风景类、室内场景、建筑等大场景类的分类。不适合有遮挡等细致问题。

GIST

从图像中抽取频率特征。

局部特征表示（如SIFT特征+词袋模型）

从图像中抽取多个有典型意义的区块，用这些区块表示整图，即使部分区块被遮挡，影响也不大。

分类模型

近邻分类器

贝叶斯分类器

线性分类器

支撑向量机分类器

神经网络分类器

随机森林

决策树

Adaboost

损失函数

0-1损失

多类支撑向量机损失

交叉熵损失

L1损失

L2损失

优化方法

迭代优化方法

一阶方法

梯度下降

随机梯度下降

小批量随机梯度下降

二阶方法

牛顿法

BFGS

L-BFGS

训练过程

数据集划分

数据预处理

数据增强

欠拟合与过拟合

减小算法复杂度

使用权重正则项

使用droput正则化

超参数调整

模型集成

分类器决策

常用的分类任务评价指标

正确率&错误率

正确率(accuracy) =分对的样本数/全部样本数
错误率(error rate) = 1 -正确率

线性分类器

数据集

图像表示（基于像素）

大多数分类算法都要求输入向量，将图像矩阵转换成向量。

二进制图像（0-1）

灰度图像（0~255）

彩色图像（RGB）

分类模型-线性分类器

线性分类器的定义

线性分类器是一种线性映射，将输入的图像特征映射为类别分数。
形式简单，易于理解
通过层级结构（神经网络）或者高维映射（支撑向量机）可以形成功能强大的非线性模型

线性分类器的决策

线性分类器的矩阵表示

线性分类器的权值向量

线性分类器的决策边界

线性分类器示例

损失函数

找到最优的分类模型，还需要损失函数与优化算法的帮忙。

损失函数的定义

损失函数是一个函数，用于度量给定分类器的预测值与真实值的不一致程度，其输出通常是一一个非负实值。
其输出的非负实值可以作为反馈信号来对分类器参数进行调整，以降低当前示例对应的损失值，提升分类器的分类效果。
对分类器性能的定量表示。
损失函数搭建了模型性能与模型参数W,b之间的桥梁，指导模型参数优化。
损失值就是模型性能的描述。

多分类支撑向量机损失

为什么加1？-- 加1是边界，减小边界附近噪声的影响

关于损失函数的思考

多类支撑向量机损失Li的最大/最小值会是多少?

最大：正无穷；最小：0；

如果初始化时w和b很小，损失L是多少?

w和b很小时，Sij和Syi都很小且Sij-Syi约为0，那么
单样本的多类支撑向量机损失：Li=N-1；(N为样本类别数量)
损失函数：L=N-1; (N为样本类别数量)

重要应用

将w和b初始化为很小的值时，可以检测算法的编码是否有错误，若Li和L都为N-1，说明编码美语错误；

考虑所有类别(包括j=yi), 损失L，对最优参数的选择是否有影响?

没有影响

在总损失L计算时，如果用求和代替平均，对最优参数的选择是否有影响?

去掉1/N，相当于所有模型参数组合对应的损失函数值都放大N倍，对最优参数的选择没有影响。

如果使用$L_i={\sum }_{j\ne y_i}max(0,S_j-S_{y_i}+1{)}^2$，对最优参数的选择是否有影响？

有影响，考虑100倍放大为10000，而0.01倍缩小为0.0001。

正则项与超参数

关于损失函数的思考

问题：假设存在一个W使损失函数L=0，这个W是唯一的吗？

答案：不唯一（见下面的例子）

问题：若存在W1和W2都使损失函数L=0，如何在W1和W2之间做选择？

答案：添加正则项损失。正则损失会使损失函数L唯一，不会出现多个w对应L都为0的情况。
注：实际问题中，L很多情况下不为0。这里只是将L=0作为一种极端情况考虑。

什么是超参数？

在开始学习过程之前设置值的参数，而不是学习得到。
超参数一般都会对模型性能有着重要的影响。

L2正则项

为什么需要正则项？

正则损失会使损失函数L唯一，不会出现多个w对应L都为0的情况。
正则让模型有了偏好，通过设置正则项，使得可以在多个损失函数为0的模型参数中选出最优的模型参数。
防止模型过拟合。

常用的正则项损失

优化算法

参数优化

参数优化是机器学习的核心步骤之一， 它利用损失函数的输出值作为反馈信号来调整分类器参数，以提升分类器对训练样本的预测性能。

常用优化算法

梯度下降

一种简单而高效的迭代优化方法。

往哪走？

负梯度方向

走多远？

步长决定，即学习率

梯度计算

数值法

每个W都需要计算一次，计算量大，近似值，不精确。

数值梯度有什么作用

求梯度时一般使用解析梯度，而数值梯度主要用于解析梯度的正确性校验(梯度检查)。

解析法

非近似值，而是精确值，速度快，但是导数函数推导易错。

梯度下降算法的计算效率

随机梯度下降算法

小批量梯度下降算法

iteration、batch-size、epoch是为了更好的描述算法效率。
batch-size：10
iteration：10
则总共迭代了100个样本
batch-size：100
iteration：1
也总共迭代了100个样本
所以，论文中，一般用epoch描述迭代样本情况。
1个epoch需要N/m次迭代，N是样本总数，m是批量大小。

训练过程

数据集划分

训练集+测试集

训练集：训练模型，寻找最优分类器
测试集：评估模型，评测泛化能力
缺点：使用训练集学习分类器参数，测试集选超参数，测试集数据暴露。

训练集+验证集+测试集

交叉验证

问题:如果数据很少，那么可能验证集包含的样本就太少, )从而无法在统计，上代表数据。
这个问题很容易发现：如果在划分数据前进行不同的随机打乱，最终得到的 模型性能差别很大，那么就存在这个问题。
接下来会介绍K折验证与重复的K折验证，它们是解决这一问题的两种方法。

K折交叉验证

带打乱数据的重复K折交叉验证

数据预处理

去均值

x=x-均值
例如数据都是10000上下且均值为10000，可以将所有数据减去均值10000，数据就会在一个几百几千的范围内

归一化

x=(x-u)/方差
例如x轴单位为吨，y轴单位为毫米，则在x轴上数据密度比较大，不容易分析，将所有数据进行归一化

去相关性

原始数据中x变大y也变大，x和y有相关性，有时候要只单独讨论x或只单独讨论y，就需要去掉x,y的相关性，x变化，y不会随着变化。
例如：高纬度情况下，有几个不需要考虑的维度，就将这几个维度与需要研究的维度去相关性，即降维。

白化

在去相关的基础上进行归一化。
## 线性分类器例题
Linear Classification Loss Visualization