PCANet:基于PCA、二值哈希与块直方图的简单深度学习图像分类基础架构

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本文档深入探讨了"PCANet:一种基于简单基础数据处理组件的深度学习图像分类方法"。由Tsung-Han Chan(IEEE会员)、Kui Jia、Shenghua Gao、Jiwen Lu(IEEE高级会员)、Zinan Zeng和Yi Ma(IEEE院士)共同提出的PCANet是一种创新的深度学习网络架构,它在图像分类任务中展现出高效且易于设计和学习的特点。 PCANet的核心理念在于利用三个基本的数据处理步骤:1)分层主成分分析(Cascaded Principal Component Analysis, PCA),它被用来构建多级滤波器银行,用于捕捉图像中的主要特征;2)二进制哈希,作为一种有效的索引和池化技术,将复杂的数据结构简化;3)块级直方图,进一步提取局部特征并进行统计汇总。这种结合了降维、量化和特征聚合的策略使得PCANet在保持模型简洁的同时,实现了良好的性能。 为了对比和更深入理解PCANet,文中还介绍了两种变体网络:1)RandNet和2)LDANet。它们在架构上与PCANet保持一致,但在滤波器的生成方式上有所区别。RandNet的滤波器是随机选择的,而LDANet则利用线性判别分析(Linear Discriminant Analysis, LDA)来学习滤波器。通过这些变体的研究,作者旨在探索不同策略对性能的影响,并揭示了PCANet设计原则的灵活性。 作者们在多个视觉基准数据集上进行了广泛测试,验证了PCANet及其变体的实用性和有效性。这些实验结果不仅展示了PCANet在图像分类任务上的优越性能,也为后续研究者提供了关于如何利用简单组件构建深度学习模型的重要参考。整体来看,这篇文章对于理解深度学习基础架构在图像处理领域的应用具有很高的价值,特别是对于那些关注效率和模型简洁性的研究人员和工程师来说。
2024-09-06 上传
1 目标检测的定义 目标检测(Object Detection)的任务是找出图像中所有感兴趣的目标(物体),确定它们的类别和位置,是计算机视觉领域的核心问题之一。由于各类物体有不同的外观、形状和姿态,加上成像时光照、遮挡等因素的干扰,目标检测一直是计算机视觉领域最具有挑战性的问题。 目标检测任务可分为两个关键的子任务,目标定位和目标分类。首先检测图像中目标的位置(目标定位),然后给出每个目标的具体类别(目标分类)。输出结果是一个边界框(称为Bounding-box,一般形式为(x1,y1,x2,y2),表示框的左上角坐标和右下角坐标),一个置信度分数(Confidence Score),表示边界框中是否包含检测对象的概率和各个类别的概率(首先得到类别概率,经过Softmax可得到类别标签)。 1.1 Two stage方法 目前主流的基于深度学习的目标检测算法主要分为两类:Two stage和One stage。Two stage方法将目标检测过程分为两个阶段。第一个阶段是 Region Proposal 生成阶段,主要用于生成潜在的目标候选框(Bounding-box proposals)。这个阶段通常使用卷积神经网络(CNN)从输入图像中提取特征,然后通过一些技巧(如选择性搜索)来生成候选框。第二个阶段是分类和位置精修阶段,将第一个阶段生成的候选框输入到另一个 CNN 中进行分类,并根据分类结果对候选框的位置进行微调。Two stage 方法的优点是准确度较高,缺点是速度相对较慢。 常见Tow stage目标检测算法有:R-CNN系列、SPPNet等。 1.2 One stage方法 One stage方法直接利用模型提取特征值,并利用这些特征值进行目标的分类和定位,不需要生成Region Proposal。这种方法的优点是速度快,因为省略了Region Proposal生成的过程。One stage方法的缺点是准确度相对较低,因为它没有对潜在的目标进行预先筛选。 常见的One stage目标检测算法有:YOLO系列、SSD系列和RetinaNet等。 2 常见名词解释 2.1 NMS(Non-Maximum Suppression) 目标检测模型一般会给出目标的多个预测边界框,对成百上千的预测边界框都进行调整肯定是不可行的,需要对这些结果先进行一个大体的挑选。NMS称为非极大值抑制,作用是从众多预测边界框中挑选出最具代表性的结果,这样可以加快算法效率,其主要流程如下: 设定一个置信度分数阈值,将置信度分数小于阈值的直接过滤掉 将剩下框的置信度分数从大到小排序,选中值最大的框 遍历其余的框,如果和当前框的重叠面积(IOU)大于设定的阈值(一般为0.7),就将框删除(超过设定阈值,认为两个框的里面的物体属于同一个类别) 从未处理的框中继续选一个置信度分数最大的,重复上述过程,直至所有框处理完毕 2.2 IoU(Intersection over Union) 定义了两个边界框的重叠度,当预测边界框和真实边界框差异很小时,或重叠度很大时,表示模型产生的预测边界框很准确。边界框A、B的IOU计算公式为: 2.3 mAP(mean Average Precision) mAP即均值平均精度,是评估目标检测模型效果的最重要指标,这个值介于0到1之间,且越大越好。mAP是AP(Average Precision)的平均值,那么首先需要了解AP的概念。想要了解AP的概念,还要首先了解目标检测中Precision和Recall的概念。 首先我们设置置信度阈值(Confidence Threshold)和IoU阈值(一般设置为0.5,也会衡量0.75以及0.9的mAP值): 当一个预测边界框被认为是True Positive(TP)时,需要同时满足下面三个条件: Confidence Score > Confidence Threshold 预测类别匹配真实值(Ground truth)的类别 预测边界框的IoU大于设定的IoU阈值 不满足条件2或条件3,则认为是False Positive(FP)。当对应同一个真值有多个预测结果时,只有最高置信度分数的预测结果被认为是True Positive,其余被认为是False Positive。 Precision和Recall的概念如下图所示: Precision表示TP与预测边界框数量的比值 Recall表示TP与真实边界框数量的比值 改变不同的置信度阈值,可以获得多组Precision和Recall,Recall放X轴,Precision放Y轴,可以画出一个Precision-Recall曲线,简称P-R