發(fā)布時間：2020-04-09 13:23

【摘要】：隨著信息時代的到來,互聯(lián)網(wǎng)上的圖像數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸性增長,如何在海量的圖像中快速、準(zhǔn)確地檢索到目標(biāo)圖像一直是信息檢索領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的圖像哈希檢索方法將圖像特征映射到漢明空間,可以顯著降低特征的維度及檢索開銷,但是由于傳統(tǒng)哈希方法提取的手工特征注重圖像的視覺相似性而不是語義相似性,所以限制了檢索效果的提升。近年來,由于深度學(xué)習(xí)在計算機(jī)視覺領(lǐng)域取得了巨大成功,因此基于深度學(xué)習(xí)的圖像哈希檢索方法逐漸成為圖像檢索領(lǐng)域的主要研究目標(biāo)�；�于深度學(xué)習(xí)的圖像哈希檢索方法通常采用端到端的網(wǎng)絡(luò)模型直接生成二值哈希碼,但與此同時帶來網(wǎng)絡(luò)離散空間不可導(dǎo)問題。另外,由于數(shù)據(jù)集與實際數(shù)據(jù)存在差異,所以網(wǎng)絡(luò)的泛化性和魯棒性有待提高。針對以上問題,本文的具體工作如下:(1)提出一種基于CNN-F的改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與“松弛”哈希生成函數(shù)相結(jié)合的圖像檢索方法,通過松弛二值哈希碼到連續(xù)的實值空間,使得整個網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行求導(dǎo)并通過反向傳播算法進(jìn)行學(xué)習(xí)。(2)改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù),通過分類損失和對比損失相結(jié)合,對比損失適宜檢索任務(wù),而分類損失和加入權(quán)重可以在一定程度上降低對比損失帶來的正負(fù)樣本不平衡問題對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。另外,去掉二值約束正則項,避免引入多余的輔助變量和計算。(3)結(jié)合以上創(chuàng)新點(diǎn),設(shè)計一個偽孿生網(wǎng)絡(luò),在主網(wǎng)絡(luò)的輸入層前加入空間轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò),使網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)圖像內(nèi)容自適應(yīng)學(xué)習(xí)多種變換信息,增加網(wǎng)絡(luò)的泛化性及魯棒性,使網(wǎng)絡(luò)在較少數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練也能獲得很好的檢索性能,同時采用互學(xué)習(xí)訓(xùn)練策略,提高網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練穩(wěn)定性和加速網(wǎng)絡(luò)的收斂。通過在CIFAR-10和NUS-WIDE兩個數(shù)據(jù)集上進(jìn)行充分的實驗驗證,結(jié)果表明這些創(chuàng)新點(diǎn)使圖像檢索性能都有一定提升,而結(jié)合這些創(chuàng)新點(diǎn)又進(jìn)一步提高了檢索的準(zhǔn)確率,例如,在CIFAR-10數(shù)據(jù)集上,12比特位的哈希碼檢索的均值平均準(zhǔn)確率(mAP)達(dá)到了79.8%,已經(jīng)超過了當(dāng)前許多頂尖的方法。
【圖文】：

法的研究大部分是端到端的方法，將圖像的特征提取和哈希學(xué)習(xí)在同一個網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)，通過方向傳播算法不斷優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。2.3.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)哈希其實最早基于深度學(xué)習(xí)的哈希算法嚴(yán)格意義上應(yīng)該是2009年由Hinton提出的語義哈希方法（Semantic Hashing）[33]。但是語義哈希方法中僅僅使用深度網(wǎng)絡(luò)提供的非線性能力學(xué)習(xí)哈希函數(shù)，采用的還是傳統(tǒng)的底層特征作為輸入，，和現(xiàn)在深度哈希算法使用深度特征還是有一定的區(qū)別，因此這里不做深入討論。直到2014年，RongkaiXia等人在AAAI上提出的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)哈希（Convolutional Neural Network Hashing，CNNH）[23]算法，基于深度學(xué)習(xí)的哈希算法正式進(jìn)入研究者的視野。CNNH算法分為兩個階段，算法思想如圖2.4所示：

第二階段：針對學(xué)習(xí)的哈希碼和挑選的圖像離散類標(biāo)簽構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過訓(xùn)練CNN同時進(jìn)行二值哈希碼擬合和輸入圖片的特征學(xué)習(xí)。作者將二值哈希碼擬合轉(zhuǎn)換成多標(biāo)簽預(yù)測問題，并且為了提升性能還加入了分類損失函數(shù)。CNNH算法的檢索性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的使用手工特征的哈希方法，但是由于該方法不是端到端的，兩階段的學(xué)習(xí)過程將圖像特征表示和哈希學(xué)習(xí)拆分開來，無法發(fā)揮深度學(xué)習(xí)的全部能力。2.3.2 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)哈希為了更好發(fā)揮深度學(xué)習(xí)的潛力，2015年HanjiangLai等人在CVPR提出端到端的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)哈希算法（Deep Neural Network Hashing，DNNH）[24]。相比于CNNH，DNNH網(wǎng)絡(luò)更深并且將特征學(xué)習(xí)和哈希學(xué)習(xí)在同一個網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示：
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;TP18

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本文編號：2620810