论文精读：用于少样本图像识别的语义提示（Semantic Prompt for Few-Shot Image Recognition）

原论文于2023.11.6撤稿，原因：缺乏合法的授权，详见此处

Abstract

在小样本学习中（Few-shot Learning, FSL）中，有通过利用额外的语义信息，如类名的文本Embedding，通过将语义原型与视觉原型相结合来解决样本稀少的问题。但这种方法可能会遇到稀有样本中学到噪声特征导致收益有限。在这篇论文，作者提出了一种用于少样本学习的语义提示（Semantic Prompt, SP）方法，不同于简单地利用语义信息纠正分类器，而是选择用语义信息作为提示（prompt）去自适应调整视觉特征提取网络。

具体来说，作者设计了两种互补机制，将语义提示插入特征提取器：1、在空间维度上，通过自注意力机制使语义提示和局部图块（patch）embedding相互作用；2、在通道维度上，用变换后的语义提示补充视觉特征。通过结合这两种机制，特征提取器能更好地关注特定类的特征，并仅用了较少的支持样本就能得到通用的图像表示。

1. 引言

在解决小样本问题时，最有效的FSL方法是利用从大量标记基础数据集学习而来的先验知识，并将先验知识编码为一组初始网络参数，或者在所有的类中共享固定的嵌入函数。

由于缺少新的类的带标签图像，一种直接替代方式是使用其他模式的辅助信息，例如语言模型，来帮助学习新的类，这在zero-shot中已经被广泛使用了。这些方法通常直接使用文本embeddings用于新的类的图像分类器。基于此，一些FSL研究提出了从类名推断文本原型，并将其与从罕见的支持图像中提取的视觉原型结合。另一些方法通过引入更复杂的文本预测器，或者利用大规模预训练模型产出更准确的文本原型。

这些方法大多直接从文本特征中得到类的原型，忽视了文本特征与视觉特征的信息差。确切来说，文本特征可能包含了新的类与已知的类之间的语义联系，但由于缺少与底层视觉表示的交互，这些方法不能提供能确切区分新类的视觉特征。此外,由于有限的支持图像，学习到的视觉特征仍然遭受噪声特征的影响，例如背景的干扰。

在图一中，对于一个新类“unicycle”，特征提取器可能会将unicycle图像和其他干扰因素作为图像特征，干扰因素可能包含骑手和房屋，并在其他场景下不能识别unicycle。本文中，作者选择使用文本特征作为语义提示去自适应调整特征提取网络，如图一所示，在语义提示的指导下，特征提取器注重捕获新类的固有特征而不是杂乱的背景。

此外，在大规模训练的自然语言模型（Natural Language Process, NLP）如BERT和GPT能从类名挖掘丰富的文本信息。通过语义提示和视觉特征相互作用，可以帮助特征提取器判断视觉特征时提供附加信息，并产生更通用的类原型。

语义提示与视觉特征的相互作用发生在空间维度与通道维度。

• 空间维度上，用语义提示扩展图像块序列，并输入到Transformer的Encoder中，通过自注意力层，语义提示可以使特征提取器关注类的特定特征并一直其他干扰因素；
• 通道维度上，首先将语义提示与从所有图像块中提取的视觉上下文连接，然后投喂进多层感知机（Multilayer Perceptron, MLP）模块。提取的特征向量会被添加到每个图像块中，在逐个通道中调整与增强视觉特征。

2. 问题设置

FSL问题中通常被定义为N-way、K-shot分类任务，对于查询集\(Q\)的样本\(x^q\)，模型能将其分类在\(C_{novel}\)的\(N\)个类中的某一个。训练数据为支持集\(S\)的少量带标签样本\((x^s_i,y^s_i)^{N\times K}_{i=1}\)。由于支持集较少，在FSL训练之前，会在大量标记的数据集\(D_{base}\)预训练模型。注意，\(C_{base}\cap C_{novel}=\varnothing\)，这表示训练的类与测试的类完全不同，模型学习到的仅是泛化未知的类的能力。

在之前的工作中，图像的标签\(y\)通常使用one-hot编码表示，如\(y=[0,1,0,0,\dots]\)，这种表示会导致物体概念和文本标签中的语义信息被抹去。本文中，为了使语义能被提取，作者保留了文本标签如\('cat', 'dog'\)。并把这种label表示为\(y^{text}\)与one-hot表示的\(y\)相区分。

3. 方法

3.1 预训练

在FSL中，学习通用特征提取器是将知识转移到下游学习任务的关键。在给定的标签数据集\(D_{base}\)中，采用简单的监督学习范式来学习特征提取器。线性分类的权重矩阵和偏置向量与输入特征向量\(f(x)\)运算并映射到其中一个基础类，并通过最小化标准交叉熵损失函数进行训练：

\[\mathcal{L}_{pre}=\frac{1}{|D_{base}|}\sum_{(x,y)\in D_{base}}-\log\frac{\exp(W^T_yf(x)+b_y)}{\sum_i\exp(W^T_if(x)+b_i)} \tag{1}
\]

其中，\(W_i,b_i\)表示分类器对于\(i\)类的权重与偏置。

对于骨干网络的选择，为了促进视觉特征与语义提示相互作用，采用Vision Transformer作为图像特征提取器\(f\)。对于输入图像\(x\in\mathbb{R}^{H\times W\times C}\)首先被分为\(M\)个图像块序列\(X=\{x^1_p,x^2_p,\dots,x^M_p\}\)，其中\(x^i_p\in\mathbb{R}^{P\times P\times C}\)，\(P\)表示图像块的大小。然后每一个图像块将被转为embedding向量并加入位置embedding，此时作为Transformer输入的图像块可以写为\(Z_0=[z_0^1,z_0^2,\dots,z_0^M]\)，其中\(z^i_0\in\mathbb{R}^{C_z}\)是位于位置\(i\)的图像块token，\(C_z\)为每个token的通道数。

每一个图像块token都会被投入Transformer层L，提取视觉特征。每一个特征由多头自注意力（Multihead Self-Attention, MSA）、MLP块、归一化层和残差连接组成（各个层的结构顺序如下图所示）。在L的顶层，将所有token序列中的embedding向量求平均作为提取的图像特征：

\[f(x)=\frac{1}{M}\sum^M_{i=1}z_L^i \tag{2}
\]

其中\(z_L^i\)是在L层的第\(i\)个token的embedding向量。

图片来源：An Image is Worth 16x16 Words: Transformers for Image Recognition at Scale。文中改进了Transformer并应用于计算机视觉，作者将其命名为Vision Transformer（ViT）。

自注意力的计算量为序列长度的平方，为了降低计算成本，采用ViT的变体Visformer作为Transformer层的实现。

3.2 语义提示

在基础训练进行预训练后的特征提取器\(f\)可以从输入图像提取大量的视觉特征，为了准确识别，我们还需要语义信息作为提示指导网络，在样本数量少的情况获得更好的泛化能力。具体来说，类名就是终于的语义信息，文中使用大规模预训练的NLP模型从类名中提取语义特征。

在一次训练的episode，对于支持集的图像\(x^s\)的类名\(y^{text}\)投喂进预训练的语言模型\(g(\cdot)\)，得到语义特征\(g(y^{text})\)。语义特征被用于调整样本较少的类的调整，这个过程记为：\(f_g(x^s)=f(x^s|g(y^{text}))\)。每个类中，对这些特征求平均计算类的原型,\(p_i\)表示第\(i\)个类的原型。

\[p_i=\frac{1}{K}\sum^K_{j=1}f_g(x^s_j)\tag{3}
\]

其中\(x_j^s\)是\(i\)的第\(j\)个支持图像。

episode: episode指一次训练的子任务。举例来说，假设正在使用元学习来训练一个模型来识别不同的动物。每个episode可能代表一个特定的识别任务，比如在一个episode中，模型需要学会识别猫和狗，而在另一个episode中，模型需要学会识别鸟类和鱼类。每个episode都会提供一组训练样本，以及模型需要尽快学会正确分类这些样本的机会。

在元训练中，会冻结文本编码器\(g(\cdot)\)并使用交叉熵损失函数最大化查询样本与原型的特征相似度来微调其他参数：

\[\mathcal{L}_{meta}=-\mathbb{E}_{S,Q}\mathbb{E}_{x^q}\log\frac{\exp(s(f(x^q),p_{y^q})/\tau)}{\sum^N_{i=1}\exp(s(f(x^q),p_i)/\tau)}\tag{4}
\]

其中\(s\)是余弦相似度，\(p_{y^q}\)是类\(y^q\)的原型，\(\tau\)是温度参数。

3.2.1 空间维度的相互作用

对于给定的语义特征\(g(y^{text})\)和\(l\)层的输入图像序列embedding\(Z_{l-1}=[z_{l-1}^1,z_{l-1}^2,\dots,z_{l-1}^M]\in\mathbb{R}^{M\times C_z}\)，之后通过投影的（projected）语义特征扩展\(Z_{l-1}\)得到\(\hat{Z}_{l-1}\in\mathbb{R}^{(M+1)\times C_z}\)：

\[\hat{Z}_{l-1}=[z^0,z_{l-1}^1,\dots,z_{l-1}^M] \tag{5}
\]

其中，\(z^0=h_s(g(y^{text}))\in\mathbb{R}^{C_z}\)是投影的语义embedding用于空间交互，\(h_s\)是保持语义embedding和图像块embedding维度相同的投影器（projector）。之后，\(\hat{Z}_{l-1}\)被投喂进Transformer的\(l\)层的MSA模块，MSA模块首先将每个token映射为三个向量\(q,k,v\in\mathbb{R}^{N_h\times(M+1)\times C_h}\)，映射的投影参数为\(W_{qkv}\)，即：

\[[q,k,v]=\hat{Z}_{l-1}W_{qkv}\tag{6}
\]

其中，\(N_h\)是MSA中头的数量，\(C_h\)是每个头的通道数。之后计算注意力权重\(A\in\mathbb{R}^{N_h\times(M+1)\times(M+1)}\)。

\[A=softmax(qk^T/C_h^{\frac{1}{4}})\tag{7}
\]

注意力权重可以聚合不同位置的信息，最终输出通过连接所有头的输出并由参数\(W_{out}\)投影获得：

\[MSA(\hat{Z}_{l-1})=(Av)W_{out}\tag{8}
\]

公式（6）-（8）可参考Transformer原论文

3.2.2 通道维度的相互作用

除了通过MSA进行空间上的相互作用外，还提出了另一种交互机制：可以根据输入的语义提示逐个通道得调节和增强视觉特征。对于\(l\)层的输入图像块embedding序列\(Z_{l-1}=[z^2_{l-1},z^1_{l-1},\dots,z^M_{l-1}]\in\mathbb{R}^{R_z}\)，首先所有图像块token取平均得到全局视觉上下文向量\(z^c_{l-1}\in\mathbb{R}^{C_z}\)：

\[z^c_{l-1}=\frac{1}{M}\sum^M_{i=1}z^i_{l-1}\tag{9}
\]

将视觉特征\(z^c_{l-1}\)与投影的语义向量\(z^0=h_c(g(h_{text}))\in\mathbb{R}^{R_c}\)连接，并投喂进2层MLP模块，得到调节后的向量

\[\beta_{l-1}=\sigma(W_2\sigma(W_1[z^0;z^c_{l-1}]+b_1)+b_2)\tag{10}
\]

其中，\(W_1,b_1,W_2,b_2\)是MLP模块的参数，\(\sigma\)是激活函数,\(h_c\)是通道交互的投影器。

最后，将图像块token与上面得到的调节向量相加以调整每个通道上的视觉特征，调整的序列为\(\hat{Z}_{l-1}\in\mathbb{R}^{M\times C_z}\)

\[\hat{Z}_{l-1}=[z^i_{l-1}+\beta_{l-1},]\space i=1,2,\dots,M\tag{11}
\]

4. 实验

4.1 数据集测试

作者在四个数据集上与其他SOTA方法进行对比试验如表1、表2所示。对于预训练的文本编码器，一共试验了三种：CLIP、SBERT、GloVe。对于CLIP的使用输入采用模板：A photo of a {class name}。而其他两种文本编码器的输入为类名。如果名称中有多个单词，则对输出单词向量求平均。文中默认使用的文本编码器为ClIP。

可以看到之前的方法通常采用CNN作为骨干网络，对比同样以Visformer-S的SUN，准确率提升了2.46%

4.2 模型分析

4.2.1 消融研究

文中进行了消融研究，结果如表3所示，证明图像增强与两种交互机制的有效性。

4.2.2 层的选择

特征提取器有三个阶段，每个阶段含有多个Transformer层。理论上语义提示可以在任意层插入，实验研究了二、三阶段不同层插入语义提示的实验结果。可以发现，插入高层时模型的表现较好，插入低层时模型的表现下降。文中认为语义提示向量特定于类，而更高层的网络层提取的特征特定于类，而在低层提取的特征会在类间共享。在图3中，可以看到语义提示插入三阶段的整体表现较好，语义提示默认插入位置为layer3-2（三阶段的第二层）。

4.2.3 骨干网络和分类器架构

表4中用两种骨干网络测试了3种baseline方法，可见骨干网络的替换并不能明显提高精度，而使用了语义提示后精度得到了明显提高。表5中比较两种分类器余弦距离分类器和线性逻辑回归分类器，两者的精度差距不大。

4.2.4 投影器和池化策略

表6可以看到，投影器的选择对精度影响不大，不管是线性还是多层感知机都表现良好。但池化的策略选择对精度影响较大，当选择Head策略时，模型精度较差，这表明仅通过语义特征无法获得较好的泛化能力。

• Head: 选择语义提示向量位置处的输出（公式（5）的\(z^0\)）；
• Patch: 对所有图像块的特征取平均（公式（5）的\(z_{l-1}^1,\dots,z_{l-1}^M\)）；
• All: 对所有特征向量取平均。

4.2.5 图像大小和主干设计

表7可以看到，保持卷积主干不变的情况下缩小图像会导致精度下降，因为此时卷积核和卷积步幅太大不能捕获详细的视觉特征，如果相应地减少卷积核和步幅，精度会提高。

4.2.6 可视化

在图4中，对注意力图进行可视化。在预训练的baseline中夹杂着背景信息，如果给出特定的文本提示，模型就能专注于某一部分（蜘蛛或是蛛网）。

5. 总结

本文提出了一种新颖的 FSL 语义提示（SP）方法，该方法利用从类名派生的语义特征自适应地调整特征提取。所提出的方法在四个基准数据集上进行了评估，并相对于以前的方法取得了显着的改进。更深入的分析表明，SP 鼓励模型提取更多类别特定的特征，并且对不同的文本编码器和模型设计具有健壮性。

参考文献

1. Chen, Wentao, et al. "Semantic Prompt for Few-Shot Image Recognition." Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2023.