【Pytorch】prototypical network原型网络小样本图像分类简述及其实现
基本概念
小样本学习(Few-Shot Learning, FSL)任务，顾名思义，就是能够仅通过一个或几个示例就快速建立对新概念的认知能力。实现小样本学习的方式也有很多，比如：度量学习、数据增强、预训练模型、元学习等等，其中元学习是目前广泛使用的处理小样本学习问题的方法。
元学习(meta learning或learning to learn)，也称学会学习，元学习算法能够在学习不同任务的过程中积累经验，从而使得模型能够快速适应新任务。
元学习与一般的监督学习的区别：
一般的监督学习是在训练集上训练出一个函数映射 
，这个函数可以识别出哪张图片是狗，哪张是猫。输入是某张图片，输出是标签。
元学习算法则是让模型学会学习，即在训练集上学习出一个函数 
， 可以自动学习出一个函数 
，他可以分辨出哪张图片是狗，哪张是猫。 的输入是一个个的图片集合，输出是函数 ， 的输入是某张图片，输出是标签。
可以这么理解使用元学习算法的小样本学习任务：我有一个数据集{大象，老虎，狮子}，小样本学习并非是让模型识别出哪个是老虎、大象或者狮子，而是学习出每个类别之间的差异，以便在新的数据集（比如：{汽车、电视、沙发、鼠标}）中更好的分类。
小样本学习图片分类的基本思想
为了更形式化评估元学习算法，在分类问题上，元学习的数据形式和一般监督学习的数据形式也有所不同，最小的数据点不再是一张图片，而是一个一个的小任务。每个小任务中有 
个类别，每个类别有 
张图片，我们称这些任务为N-way K-shot图像分类任务，一共有 
个小任务。当K值很小时（一般K<10），该任务就是小样本图像分类任务了。当K=1时，该任务即为单样本图像分类任务。
除此之外我们还需要知道两个重要概念：
- 支持集（Support Set）：相当于每个小任务中的训练集，包含N个分类标签，每个标签有K张图片。
- 查询集（Query Set）：相当于每个小任务中的测试集，包含Q张未分类的图片。
如下图，为一个3-way 2-shot图像分类任务，蓝色板块是支持集，绿色的是查询集：
注意，对于元学习而言，上图的3-way 2-shot图像分类任务只是一个数据点，完整的数据集及其训练集-测试集划分如下图所示：
元学习流派
Black Box / Model-based
为小数据集场景专门制定一个能够快速变化参数的模型。代表作有：MANN，MetaNet等。
Optimization Based
通过让模型快速优化自己的参数来实现小样本学习。代表作有：MAML，NAIL，Reptile等。
Metric Based（基于度量的方法）
也是目前主流的方法，通过学习一个Encoder，将数据映射到一个表征空间，然后使用无参的Decoder来进行分类。代表作有Matching Network，Prototypical Network等。
Prototypical Network基本原理
以一个episode为例，其中包含 {狗，虫子，鸟} 三个类别的图片。
1、首先，对支持集中的每张图片使用编码器 
进行信息提取，学习到每张图片的Embedding编码表示。（编码器可以选择常规的卷积操作、resnet系列、vit等等）
2、 然后对支持集的每个类别下的Embeddings做均值处理，得到每个类别的原型表示（class Prototype）。
3、对查询集中的图片进行分类。首先使用编码器 将查询集图片进行编码，得到该图片的Embedding向量表示。
4、然后拿着这个Embedding表示和类别原型进行相似度计算，也就是无参的解码过程。（相似度计算的方式很多，可以是欧氏距离或者余弦相似度等）
5、计算完相似度后，往往还需要使用softmax将相似度激活成概率分布。
最终得到查询集图片的分类标签，然后和真实值标签做交叉熵loss，然后梯度反向传播即可完成一个episode的训练。
Prototypical Network算法描述
1、假设原始数据集为D，对于每一个episode，包含一个支持集和一个查询集，即
。
实现方法就是在原始数据集 D 中随机选取N个类别，每个类别选取K张图片，构成支持集，选取Q张图片，构成查询集，这样就组成了一个episode的小数据集。以此类推，构造
2、 对每张图片，利用Encoder进行特征提取，即
3、计算出支持集中的每个类别的原型（prototype），即
其中，
表示图片 
的类别标签。
4、接下来计算每个查询集图片Embedding与每个类别的相似度，即
5、训练用的损失函数，公式如下：
Prototypical Network 的 Pytorch实现
prototypical network是有官方的论文实现的【prototypical-network源码】，而且很多框架里自带原型网络的包，直接调用即可。
但是官方的论文源码比较难看，而且某些场景需要拆解组合时也不方便，因此这里我自己实现了一个精简版的原型网络【我自己的代码复现】。
总结
一般来说way与shot和准确率的关系如下所示：
这个很好理解，一个episode中类别（way）越少，就越容易找出图片之间的异同，比如二分类就比十分类容易一些；一个episode中同一个类别的样本（shot）越多，就越容易找出图片之间的异同。
本质上来说，原型网络就是集成学习中的stacking思想。
题外话
一般来说，对于一个稍微有点机器学习基础的小白，要想在一个未知的ML分支领域快速实现一个比较靠谱的实例（比如打一个小样本学习的算法挑战赛，但我从没接触过小样本学习）。总体步骤如下：
- 先用搜索引擎搜索几个相关条目，大体了解这个领域是干什么的；
- 找一些该领域的大腿、论坛或者订阅号，如sota排名网页、公众号、添加一下文献鸟的关键词等。最好找个人带；
- 找几篇这个领域最新的综述，大体了解一下该领域各个流派之间的腥风血雨；
- 看几个这个领域比较火的代码实例；
- 找几篇最新的SOTA，最好带代码的；
- 添加自己的想法，落地实现并验证。
参考资料：
综述：
https://arxiv.org/abs/2004.05439
【干货】如何通过元学习解决小样本图像分类任务 - 知乎
Meta Learning（元学习）_哔哩哔哩_bilibili
SOTA：
Few-Shot Classification Leaderboard
https://arxiv.org/abs/1703.05175v2
TechBeat
简单的实例：
https://arxiv.org/abs/1703.05175
元学习——原型网络(Prototypical Networks)_hei653779919的博客-CSDN博客_原型网络
元学习—MAML模型Pytorch实现_hei653779919的博客-CSDN博客