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特征提取：如何从不同模态中获取有效信息？

ai 2025/8/25 19:29:11

在多模态学习中，不同模态（文本、图像、语音、视频、传感器数据等）所携带的信息丰富且互补。但不同模态的数据结构、表示空间、时空分布截然不同，因此，如何对各模态进行高效、有效的特征提取，是整个多模态学习系统的第一道核心关卡。

本篇我们将系统讲解如何从三类常见模态中提取有效特征，包括：

文本模态
视觉模态（图像/视频）
语音模态
并介绍各自的经典技术路线、深度模型演进和融合准备策略。

一、什么是“特征”？

特征（Feature）= 信息的压缩表示。
它是机器学习模型理解世界的“视角”和“入口”。

理想特征的标准：
- 表示力强（discriminative）
- 维度低（compact）
- 不敏感于干扰因素（robust）
- 可对齐（alignable across modalities）

特征提取的目标是从高维、冗余、嘈杂的模态数据中提炼出对任务有效的低维向量表示。

二、文本模态特征提取：从One-hot到Transformer

文本是结构性最弱但语义最强的模态，其特征提取经历了从符号表示 → 分布式表示 → 上下文动态表示的三代跃迁。

✅ 1. 传统方法

方法	思路	优缺点
One-hot	每个词独立，离散向量	简单但稀疏、无语义
TF-IDF	统计词频和逆文档频率	体现权重但无上下文

✅ 2. 静态词向量（Word Embedding）

Word2Vec (Skip-gram / CBOW)：通过上下文预测当前词或反之，学习固定词向量。
GloVe：基于全局共现矩阵统计得到的向量。

缺点：同一个词在不同语境下含义相同（如“bank”）。

✅ 3. 上下文感知表示（基于深度模型）

ELMo：使用双向LSTM学习上下文相关的表示。
BERT：Transformer-based，通过双向掩码语言建模，获得动态语义向量。
RoBERTa、ERNIE、T5、ChatGLM 等为进一步演化。

python

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from transformers import BertTokenizer, BertModel tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained('bert-base-uncased') inputs = tokenizer("deep learning is powerful", return_tensors="pt") outputs = BertModel.from_pretrained('bert-base-uncased')(**inputs) print(outputs.last_hidden_state.shape) # [1, 5, 768]

✅ 工程实践建议

简单任务：TF-IDF + 线性模型
中型任务：Word2Vec / FastText + LSTM
高精度任务：BERT系列模型 + 微调

三、视觉模态特征提取：从边缘到层次语义

图像或视频是二维空间的连续密集信号，早期使用人工设计特征，现已全面进入深度卷积时代。

✅ 1. 传统视觉特征

SIFT / SURF / HOG / LBP：提取边缘、纹理、局部不变特征
适用于早期图像分类、人脸识别、图像匹配

✅ 2. 卷积神经网络（CNN）

通过多层卷积 → 非线性 → 池化 → 高层语义表达，实现端到端的图像特征提取。

模型	特点
VGG	均匀卷积 + 池化结构
ResNet	引入残差连接，解决梯度消失
EfficientNet	跨层压缩、精度与速度均衡
Swin Transformer	全视觉Transformer结构

✅ 3. 预训练视觉模型作为特征提取器

import torchvision.models as models model = models.resnet50(pretrained=True) features = model.avgpool # 提取全图特征

实践中，ResNet-50 常用于图像编码；如果是多模态融合任务，ResNet 的输出往往会送入 Transformer 联合建模。

四、语音模态特征提取：时间序列信号的结构化

语音信号具有时序性 + 频域信息，是典型的一维时间序列 + 高频噪声背景信号。

✅ 1. 常用手工特征

MFCC（Mel-Frequency Cepstral Coefficient）
将语音转为梅尔频率尺度上压缩的倒谱特征，适合情感识别、语音识别任务。
Chroma、Spectral Contrast、Zero Crossing Rate
辅助提取频域特征

✅ 2. 深度神经网络提取

CNN/LSTM + Spectrogram：把音频转为时频图后作为图像输入
Wav2Vec / Whisper / HuBERT：自监督语音表示模型，效果优于传统手工特征

from transformers import Wav2Vec2Processor, Wav2Vec2Model
input_values = processor(raw_audio, return_tensors="pt").input_values
outputs = model(input_values).last_hidden_state # 得到语音向量表