CS231n-2017 Lecture2图像分类笔记

图像分类问题

定义：

在已有固定的分类标签集合的前提下，能够对输入的图像进行识别处理，从集合中找到该图像所对应的标签。

对于计算机而言，图像并非直观的图像，而是一个的像素集合，对于每个像素，其又有RBG三个颜色通道。因此，一张图片可以被认为是一个 的三维数组，数组内每个元素都是在 范围内的整型。而计算机图像分类的任务，就是将这样的一个三维数组映射到其对应的标签上

困难点：

Viewpoint variation：对于同一个物体，图片可能从多个角度来展现

Scale variation：由于摄影距离的远近、物体尺寸大小不同，物体的可视大小通常是变化的

Deformation：同一个物体可能以不同的形态出现，会发生形变

Occlusion：目标物体可能会被无关物体挡住，只有部分可见

Illumination conditions：光照会极大程度地影响同一个形状物品的RGB值

Background clutter：物体可能会混入背景中，难以被分辨

Intra-class variation:同一类物体的外观差异可能也会较大

流程：

1.输入：输入是包含N个图像的集合，每个图像的标签是K种标签的一种，我们把这个图像集合成为训练集

2.模型学习/训练分类器：使用训练集来学习每个标签具体长什么样

3.评价：使用分类器来给其从未见过的图像打标签，并以此正确率来评价分类器

Nearest Neighbor分类器

原理：

对于输入的图像，我们将其与训练集中的所有图像进行差异比较，找到与输入图像差异最小的图像，并将这个图像的标签作为输入图像的标签

差异的量化：

假设我们需要比较图片 和图片，则我们先将这个两个三维数组分别展开成为向量 和  ,然后将这两个向量的L1距离作为差异的量化标准，即

即将两个向量每对元素的差的绝对值求和

我们也可以选择L2距离作为量化的标准，即

L1与L2距离的使用情景其实并没有区分的很清楚，更多的是要实际去尝试哪个更好

缺点：

每次对输入图像进行预测时，如果图片的尺寸很大，像素很多（称为高维数据），则需要耗费大量的时间进行比较，这对使用带来了极大的不便，虽然这种缺点可以通过PCA降维的方法进行弥补（但PCA也只能够提取线性相关的主成分）。再者，仅通过像素来比较图像之间的差异是完全不够的，这更像是对图片按颜色分布进行分类，而不是按照图片的语义来进行分类

K-Nearest Neighbor分类器

对于上述的Nearest Neighbor分类器而言，只选1个最相近的图片可能会出现较大偏差，因此，我们可以选择k个最相近的图片，然后再在这k个图片中选出频数最高的标签作为输入图像的标签

优点：

选取更高的k值，可以使得分类的决策边界（在选取差异最小的图片的时候，相当于是寻找输入图片应当落入哪片合适的分类标签区间）更加平滑，对于异常点的处理能力更强，使得分类器针对测试数据的泛化(generalization)能力更好

但K-Nearest Neighbor分类器会存在一些空白区间，它不属于任何分类标签，这是由于这些区间内的点到多种标签的频数相同导致的

Hyperparameter:

对于上文提到的K-Nearest Neighbor分类器，其中出现了k这个参数，而这个参数是我们人为提前预设好的，不同的k值会影响分类器的正确率，以及对差异量化的距离函数的选择，是L1距离还是L2距离，都会影响分类器的性能。所有这些选择，被称为超参数(Hyperparameter)

超参数调优与验证集(validation set)：

想要找到使分类器性能最好的超参数，通常的办法就是在一定范围内尝试多个不同的超参数的值，并验证它的好坏，那么关键问题就是如何去评价一个超参数的好坏

做法：

将数据集合分为三部分，分别是训练集(training set)，验证集(validation set)，和测试集(test set)

在训练时，我们使用training set进行训练，并使用validation set来对超参数进行调优，找到最合适的超参数，然后使用test set来检验分类器的最终性能，这样可以有效减少模型对训练集、验证集的过拟合现象

交叉验证：

当训练集数量较少时，（通常不用于深度学习），我们将训练集分为n份，第i轮训练时，我们按顺序地选取其第i份作为validation set，剩下的n-1份作为training set，来得到验证结果i，最后取i次验证结果的平均值作为模型的评价

优点是能够使用少量数据进行训练，缺点是会耗费大量的计算资源，因为需要训练的轮数变得很多