PyTorch を使用した少数ショット学習による画像分類

近年、深層学習ベースのモデルは、ターゲット検出や画像認識などのタスクで優れたパフォーマンスを発揮しています。 1,000 種類の異なるオブジェクト分類を含む ImageNet のような難しい画像分類データセットでは、一部のモデルが人間のレベルを超えています。しかし、これらのモデルは教師ありトレーニング プロセスに依存しており、ラベル付きトレーニング データの利用可能性に大きく影響され、モデルが検出できるクラスはトレーニングされたクラスに限定されます。

トレーニング中にすべてのクラスに十分なラベル付き画像がないため、これらのモデルは現実の設定ではあまり役に立たない可能性があります。そして、すべての潜在的なオブジェクトの画像でトレーニングすることはほぼ不可能であるため、モデルがトレーニング中に認識しなかったクラスを認識できるようにしたいと考えています。少数のサンプルから学習する問題は、Few-Shot 学習と呼ばれます。

少数ショット学習とは何ですか?

少数ショット学習は、機械学習のサブフィールドです。これには、わずかなトレーニング サンプルと監視データのみを使用して新しいデータを分類することが含まれます。私たちが作成したモデルは、少数のトレーニング サンプルだけでもかなり良好に動作します。

次のシナリオを考えてみましょう。医療分野では、まれな病気の場合、トレーニングに十分な X 線画像がない可能性があります。このようなシナリオでは、数ショット学習分類器を構築することが完璧なソリューションです。

小規模サンプルにおける変化

一般に、研究者は次の 4 つのタイプを特定しています。

1. N ショット学習 (NSL)
2. フューショット学習 (FSL)
3. ワンショット学習 (OSL)
4. ゼロショット学習 (ZSL)

FSL について話すとき、通常はN-way-K-Shot 分類。 N はクラスの数を表し、K は各クラスでトレーニングされるサンプルの数を表します。したがって、N ショット学習は、他のすべての概念よりも広い概念として考えられます。フューショット、ワンショット、ゼロショットは NSL のサブフィールドであると言えます。一方、ゼロショット学習は、トレーニング例を使用せずに、目に見えないクラスを分類することを目的としています。

ワンショット学習では、各クラスにサンプルは 1 つだけあります。 Few-Shot にはクラスごとに 2 ～ 5 個のサンプルがあります。つまり、Few-Shot は One-Shot Learning のより柔軟なバージョンです。

小規模サンプル学習方法

一般に、少数ショット学習問題を解決する場合は、次の 2 つの方法を考慮する必要があります。

データ レベル アプローチ (DLA)

これ戦略は非常に単純です。ソリッド モデルを作成し、過小適合や過適合を防ぐのに十分なデータがない場合は、さらにデータを追加する必要があります。このため、多くの FSL 問題は、より大きな基礎となるデータ セットからより多くのデータを活用することで解決できます。基本データセットの注目すべき特徴は、Few-Shot チャレンジのサポート セットを構成するクラスが欠けていることです。たとえば、特定の種類の鳥を分類したい場合、基礎となるデータ セットには他の多くの鳥の写真が含まれている可能性があります。

パラメータ レベルのアプローチ (PLA)

パラメータ レベルの観点から見ると、少数ショット学習サンプルは通常、大きな高次元空間を持っているため、比較的容易に過学習されます。パラメータ空間を制限し、正則化を使用し、適切な損失関数を使用すると、この問題の解決に役立ちます。モデルは一般化するために少数のトレーニング サンプルを使用します。

モデルを広いパラメーター空間に誘導することでパフォーマンスを向上させることができます。通常の最適化方法では、トレーニング データが不足しているため、正確な結果が得られない場合があります。

上記の理由により、パラメーター空間を通じて最適なパスを見つけるようにモデルをトレーニングすると、最良の予測結果が得られます。このアプローチはメタ学習と呼ばれます。

小サンプル学習画像分類アルゴリズム

一般的な小サンプル学習方法は 4 つあります。

モデルに依存しないメタ学習モデルに依存しないメタ学習

勾配ベースのメタ学習 (GBML) 原理は MAML の基礎です。 GBML では、メタ学習者は、基本モデルでトレーニングし、すべてのタスク表現にわたる共有特徴を学習することで、事前の経験を積みます。学習すべき新しいタスクが存在するたびに、メタ学習器は、既存の経験と、新しいタスクによって提供される最小限の新しいトレーニング データを使用して微調整されます。

一般に、パラメータをランダムに初期化し、数回更新すると、アルゴリズムは良好なパフォーマンスに収束しません。 MAML はこの問題の解決を試みます。 MAML は、わずか数の勾配ステップでメタパラメータ学習器の信頼性の高い初期化を提供し、過剰学習がないことを保証するため、新しいタスクを最適かつ迅速に学習できます。

手順は次のとおりです:

1. メタ学習者は各エピソードの開始時に独自のコピー C を作成します。
2. C はこのエピソードでトレーニングされます (ベースモデル) の助けを借りて、
3. C はクエリ セットに対して予測を行います。
4. これらの予測から計算された損失は、C を更新するために使用されます。
5. これは続きますトレーニングのすべてのエピソードが完了するまで。

この手法の最大の利点は、メタ学習アルゴリズムの選択とは独立していると考えられることです。したがって、MAML 手法は、迅速な適応を必要とする多くの機械学習アルゴリズム、特にディープ ニューラル ネットワークで広く使用されています。

マッチング ネットワーク

FSL 問題を解決するために作成された最初のメトリクス学習方法は、マッチング ネットワーク (MN) でした。

マッチング ネットワーク法を使用してフューショット学習問題を解決する場合は、大規模なベース データ セットが必要です。 。

データセットをいくつかのエピソードに分割した後、エピソードごとに、マッチング ネットワークは次の処理を実行します。

• サポート セットとクエリ セットからのすべての画像が CNN に供給され、特徴の埋め込みを出力します
• サポート セットでトレーニングされたモデルを使用して画像をクエリし、埋め込まれた特徴のコサイン距離を取得し、ソフトマックスで分類します
• CNN バックプロパゲーションによる分類結果のクロス エントロピー損失特徴埋め込みモデルの更新

マッチング ネットワークは、この方法で画像埋め込みの構築を学習できます。 MN は、カテゴリに関する特別な事前知識がなくても、この方法を使用して写真を分類できます。彼は単にクラスのいくつかのインスタンスを比較するだけです。

カテゴリはエピソードごとに異なるため、マッチング ネットワークはカテゴリの区別に重要な画像属性 (特徴) を計算します。標準分類を使用する場合、アルゴリズムは各カテゴリに固有の特徴を選択します。

プロトタイプ ネットワーク

マッチング ネットワークに似ているのが、プロトタイプ ネットワーク (PN) です。いくつかの微妙な変更により、アルゴリズムのパフォーマンスが向上します。 PN は MN よりも優れた結果を達成しますが、トレーニング プロセスは基本的に同じで、サポート セットからのいくつかのクエリ画像埋め込みを比較するだけですが、プロトタイプ ネットワークは異なる戦略を提供します。

PN でクラスのプロトタイプを作成する必要があります。これは、クラス内の画像の埋め込みを平均することによって作成されるクラスの埋め込みです。次に、これらのクラス プロトタイプのみがクエリ画像の埋め込みを比較するために使用されます。単一サンプルの学習問題に使用すると、マッチング ネットワークに匹敵します。

リレーションネットワーク Relation Network

リレーションシップネットワークは、上記のすべての手法の研究成果を継承していると言えます。 RN は PN のアイデアに基づいていますが、アルゴリズムに大幅な改良が加えられています。

この方法で使用される距離関数は、以前の研究のように事前に定義するのではなく、学習可能です。リレーション モジュールは、入力イメージからエンベディングとクラス プロトタイプを計算する部分であるエンベディング モジュールの上に位置します。

トレーニング可能な関係モジュール (距離関数) の入力は、クエリ画像と各クラスのプロトタイプの埋め込みであり、出力は各クラス一致の関係スコアです。予測を取得するために関係スコアが Softmax に渡されます。

Open-AI Clip を使用したゼロサンプル学習

CLIP (Contrastive Language-Image Pre-Training) は、さまざまな用途に使用できる手法です。 (画像、テキスト) 訓練されたニューラル ネットワーク上。タスクに直接最適化することなく、特定の画像に最も関連性のあるテキストの断片を予測できます (GPT-2 および 3 のゼロショット機能と同様)。

CLIP は、ImageNet の「ゼロ サンプル」でオリジナルの ResNet50 のパフォーマンスを達成でき、ラベル付けされたサンプルを使用する必要がありません。これにより、コンピュータ ビジョンにおけるいくつかの大きな課題が克服されます。以下では、Pytorch を使用して簡単なサンプルを実装します。分類モデル。

導入パッケージ

! pip install ftfy regex tqdm
 ! pip install git+https://github.com/openai/CLIP.gitimport numpy as np
 import torch
 from pkg_resources import packaging
 
 print("Torch version:", torch.__version__)

モデルの読み込み

import clipclip.available_models() # it will list the names of available CLIP modelsmodel, preprocess = clip.load("ViT-B/32")
 model.cuda().eval()
 input_resolution = model.visual.input_resolution
 context_length = model.context_length
 vocab_size = model.vocab_size
 
 print("Model parameters:", f"{np.sum([int(np.prod(p.shape)) for p in model.parameters()]):,}")
 print("Input resolution:", input_resolution)
 print("Context length:", context_length)
 print("Vocab size:", vocab_size)

画像前処理

8つのサンプル画像とそのテキスト説明をモデルに入力し、対応関係を比較します。機能の間。

トークナイザーでは大文字と小文字が区別されないため、適切なテキスト説明を自由に入力できます。

 import os
 import skimage
 import IPython.display
 import matplotlib.pyplot as plt
 from PIL import Image
 import numpy as np
 
 from collections import OrderedDict
 import torch
 
 %matplotlib inline
 %config InlineBackend.figure_format = 'retina'
 
 # images in skimage to use and their textual descriptions
 descriptions = {
"page": "a page of text about segmentation",
"chelsea": "a facial photo of a tabby cat",
"astronaut": "a portrait of an astronaut with the American flag",
"rocket": "a rocket standing on a launchpad",
"motorcycle_right": "a red motorcycle standing in a garage",
"camera": "a person looking at a camera on a tripod",
"horse": "a black-and-white silhouette of a horse",
"coffee": "a cup of coffee on a saucer"
 }original_images = []
 images = []
 texts = []
 plt.figure(figsize=(16, 5))
 
 for filename in [filename for filename in os.listdir(skimage.data_dir) if filename.endswith(".png") or filename.endswith(".jpg")]:
name = os.path.splitext(filename)[0]
if name not in descriptions:
continue
 
image = Image.open(os.path.join(skimage.data_dir, filename)).convert("RGB")
 
plt.subplot(2, 4, len(images) + 1)
plt.imshow(image)
plt.title(f"{filename}n{descriptions[name]}")
plt.xticks([])
plt.yticks([])
 
original_images.append(image)
images.append(preprocess(image))
texts.append(descriptions[name])
 
 plt.tight_layout()

結果の視覚化は次のとおりです:

画像を正規化し、各テキスト入力にラベルを付け、モデルの順方向伝播を実行します。テキストのイメージと特徴を取得します。

image_input = torch.tensor(np.stack(images)).cuda()
 text_tokens = clip.tokenize(["This is " + desc for desc in texts]).cuda()
 
 with torch.no_grad():

特徴を正規化し、各ペアのドット積を計算し、コサイン類似度計算を実行します

 image_features /= image_features.norm(dim=-1, keepdim=True)
 text_features /= text_features.norm(dim=-1, keepdim=True)
 similarity = text_features.cpu().numpy() @ image_features.cpu().numpy().T
 
 count = len(descriptions)
 
 plt.figure(figsize=(20, 14))
 plt.imshow(similarity, vmin=0.1, vmax=0.3)
 # plt.colorbar()
 plt.yticks(range(count), texts, fontsize=18)
 plt.xticks([])
 for i, image in enumerate(original_images):
plt.imshow(image, extent=(i - 0.5, i + 0.5, -1.6, -0.6), origin="lower")
 for x in range(similarity.shape[1]):
for y in range(similarity.shape[0]):
plt.text(x, y, f"{similarity[y, x]:.2f}", ha="center", va="center", size=12)
 
 for side in ["left", "top", "right", "bottom"]:
plt.gca().spines[side].set_visible(False)
 
 plt.xlim([-0.5, count - 0.5])
 plt.ylim([count + 0.5, -2])
 
 plt.title("Cosine similarity between text and image features", size=20)

ゼロサンプル画像分類

 from torchvision.datasets import CIFAR100
 cifar100 = CIFAR100(os.path.expanduser("~/.cache"), transform=preprocess, download=True)
 text_descriptions = [f"This is a photo of a {label}" for label in cifar100.classes]
 text_tokens = clip.tokenize(text_descriptions).cuda()
 with torch.no_grad():
text_features = model.encode_text(text_tokens).float()
text_features /= text_features.norm(dim=-1, keepdim=True)
 
 text_probs = (100.0 * image_features @ text_features.T).softmax(dim=-1)
 top_probs, top_labels = text_probs.cpu().topk(5, dim=-1)
 plt.figure(figsize=(16, 16))
 for i, image in enumerate(original_images):
plt.subplot(4, 4, 2 * i + 1)
plt.imshow(image)
plt.axis("off")
 
plt.subplot(4, 4, 2 * i + 2)
y = np.arange(top_probs.shape[-1])
plt.grid()
plt.barh(y, top_probs[i])
plt.gca().invert_yaxis()
plt.gca().set_axisbelow(True)
plt.yticks(y, [cifar100.classes[index] for index in top_labels[i].numpy()])
plt.xlabel("probability")
 
 plt.subplots_adjust(wspace=0.5)
 plt.show()

分類効果が依然として非常に優れていることがわかります。

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