不同于傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測(cè)問題，少樣本目標(biāo)檢測(cè)（FSOD）假設(shè)我們有許多的基礎(chǔ)類樣本，但只有少量的新穎類樣本。其目標(biāo)是研究如何將基礎(chǔ)類的知識(shí)遷移到新穎類，進(jìn)而提升檢測(cè)器對(duì)新穎類的識(shí)別能力。

FSOD 通常遵循兩階段訓(xùn)練范式。在第一階段，檢測(cè)器使用豐富的基礎(chǔ)類樣本進(jìn)行訓(xùn)練，以學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)所需的通用表示，如目標(biāo)定位和分類。在第二階段中，檢測(cè)器僅使用 少量（如 1, 2, 3...）新穎類樣本進(jìn)行微調(diào)。然而由于基礎(chǔ)類和新穎類樣本數(shù)量的不平衡，其學(xué)習(xí)到的模型通常偏向于基礎(chǔ)類，進(jìn)而導(dǎo)致新穎類目標(biāo)與相似的基礎(chǔ)類混淆。此外，由于每個(gè)新穎類只有少量樣本，模型對(duì)新穎類的方差很敏感。例如，隨機(jī)采樣新穎類樣本進(jìn)行多次訓(xùn)練，每次的結(jié)果都會(huì)有較大的差異。因此十分有必要提升模型在少樣本下的魯棒性。

近期，騰訊優(yōu)圖實(shí)驗(yàn)室與武漢大學(xué)提出了基于變分特征聚合的少樣本目標(biāo)檢測(cè)模型 VFA。VFA 的整體結(jié)構(gòu)是基于改進(jìn)版的元學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)框架 Meta R-CNN++，并提出了兩種特征聚合方法：類別無關(guān)特征聚合 CAA（Class-Agnostic Aggregation）和變分特征聚合 VFA（Variational Feature Aggregation）。

特征聚合是 FSOD 中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)，其定義了 Query 和 Support 樣本之間的交互方式。前面的方法如 Meta R-CNN 通常采用類別相關(guān)特征聚合 CSA（class-specific aggregation），即同類 Query 和 Support 樣本的特征進(jìn)行特征聚合。與此相反，本文提出的 CAA 允許不同類樣本之間的特征聚合。由于 CAA 鼓勵(lì)模型學(xué)習(xí)類別無關(guān)的表示，其降低了模型對(duì)基礎(chǔ)類的偏向。此外，不同類之間的交互能夠更好地建模類別間的關(guān)系，從而降低了類別的混淆。

基于 CAA，本文又提出了 VFA，其采用變分編碼器（VAEs）將 Support 樣本編碼為類的分布，并從學(xué)習(xí)到的分布中采樣新的 Support 特征進(jìn)行特征融合。相關(guān)工作 [1] 指出類內(nèi)方差（如外觀的變化）在不同類之間是相似的，并且可以通過常見的分布進(jìn)行建模。因此我們可以利用基礎(chǔ)類的分布來估計(jì)新穎類的分布，進(jìn)而提高少樣本情況下特征聚合的魯棒性。

VFA 在多個(gè) FSOD 數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)優(yōu)于目前最好的模型，相關(guān)研究已經(jīng)被 AAAI 2023 錄用為 Oral。

論文地址：https://arxiv.org/abs/2301.13411

VFA 模型細(xì)節(jié)

更強(qiáng)的基線方法：Meta R-CNN++

目前 FSOD 的工作主要可以分為兩類：基于元學(xué)習(xí)（meta learning）的方法和基于微調(diào)（fine-tuning）的方法。早期的一些工作證明元學(xué)習(xí)對(duì) FSOD 是有效的，但基于微調(diào)的方法在最近受到越來越多的關(guān)注。本文首先建立了一個(gè)基于元學(xué)習(xí)的基線方法 Meta R-CNN++，縮小了兩種方法之間的差距，在某些指標(biāo)上甚至超過了基于微調(diào)的方法。

我們首先分析了兩種方法在實(shí)現(xiàn)上的一些差距，以元學(xué)習(xí)方法 Meta R-CNN [2] 和基于微調(diào)的方法 TFA [3] 為例，雖然這兩種方法都遵循兩階段訓(xùn)練范式，TFA 在微調(diào)階段使用額外的技術(shù)優(yōu)化模型：

1. TFA 凍結(jié)了大部分網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，只訓(xùn)練最后的分類和回歸層，這樣模型就不會(huì)過度擬合少樣本類別。
2. TFA 不是隨機(jī)初始化分類層，而是復(fù)制基礎(chǔ)類的預(yù)訓(xùn)練權(quán)重，只初始化新穎類的權(quán)重。
3. TFA 采用余弦分類器（cosine classifier）而不是線性分類器。

考慮到 TFA 的成功，我們構(gòu)建了 Meta R-CNN++。如下表 1 所示，只要我們仔細(xì)處理微調(diào)階段，元學(xué)習(xí)方法也能夠取得較好的效果。因此，本文選擇 Meta R-CNN++ 作為基線方法。

表一：Meta R-CNN 和 TFA 的對(duì)比與分析

類別無關(guān)特征聚合 CAA

圖一：類別無關(guān)特征聚合 CAA 示意圖

本文提出一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的類別無關(guān)特征聚合方法 CAA。如上圖一所示，CAA 允許不同類之間的特征聚合，進(jìn)而鼓勵(lì)模型學(xué)習(xí)類別無關(guān)的表示，從而減少類別間的偏向和類之間的混淆。具體來說，對(duì)于類別的每個(gè) RoI 特征和一組 Support 特征，我們隨機(jī)選擇一個(gè)類的 Support 特征的與 Query 特征聚合：

然后我們將聚合特征

提供給檢測(cè)子網(wǎng)絡(luò)

以輸出分類得分

。

變分特征聚合 VFA

之前的工作通常將 Support 樣本編碼為單個(gè)特征向量來表示類別的中心。然而在樣本較少且方差較大的情況下，我們很難對(duì)類中心做出準(zhǔn)確的估計(jì)。在本文中，我們首先將 Support 特征轉(zhuǎn)換為類別的分布。由于估計(jì)出的類別分布不偏向于特定樣本，因此從分布中采樣的特征對(duì)樣本的方差有較好的魯棒性。VFA 的框架如上圖二所示。

a）變分特征學(xué)習(xí)。VFA 采用變分自編碼器 VAEs [4] 來學(xué)習(xí)類別的分布。如圖二所示，對(duì)于一個(gè) Support 特征 S，我們首先使用編碼器來估計(jì)分布的參數(shù)和，接著從分布中通過變分推理（variational inference）采樣，最后通過解碼器得到重構(gòu)的 Support 特征。在優(yōu)化 VAE 時(shí)，除了常見的 KL Loss和重構(gòu) Loss，本文還使用了一致性 Loss 使得學(xué)習(xí)到的分布保留類別信息：?

b）變分特征融合。由于 Support 特征被轉(zhuǎn)換為類別的分布，我們可以從分布中采樣特征并與 Query 特征聚合。具體來說，VFA 同樣采用類別無關(guān)聚合 CAA，但將 Query 特征與變分特征聚合在一起。給定類的 Query 特征和類的 Support 特征

，我們首先估計(jì)其分布，并采樣變分特征；然后通過下面的公式將其融合在一起：

其中表示通道乘法，而 sig 是 sigmoid 操作的縮寫。在訓(xùn)練階段，我們隨機(jī)選擇一個(gè) Support 特征進(jìn)行聚合；在測(cè)試階段，我們對(duì)

類的個(gè) Support 特征取平均值，并估計(jì)分布，其中。?

分類 - 回歸任務(wù)解耦

通常情況下，檢測(cè)子網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)共享特征提取器和兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)：分類子網(wǎng)絡(luò)和回歸子網(wǎng)絡(luò)。在前面的工作中，聚合后的特征被輸入到檢測(cè)子網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行目標(biāo)分類和邊界框回歸。但是分類任務(wù)需要平移不變特征，而回歸需要平移協(xié)變的特征。由于 Support 特征表示的是類別的中心，具有平移不變性，因此聚合后特征會(huì)損害回歸任務(wù)。

本文提出一種簡(jiǎn)單的分類 - 回歸任務(wù)解耦。讓和表示原始和聚合后的 Query 特征，之前的方法對(duì)這兩個(gè)任務(wù)都采用，其中分類分?jǐn)?shù)和預(yù)測(cè)邊界框定義為：

為了解耦這些任務(wù)，我們采用單獨(dú)的特征提取器并使用原始的 Support 特征進(jìn)行邊界框回歸：?

實(shí)驗(yàn)評(píng)估

我們采用的數(shù)據(jù)集：PASCAL VOC、 MS COCO。評(píng)價(jià)指標(biāo)：新穎類平均精度 nAP、基礎(chǔ)類平均精度 bAP。

主要結(jié)果

VFA 在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上都取得了較好的結(jié)果。如在 PASCAL VOC 數(shù)據(jù)集上（下表二），VFA 顯著高于之前的方法；VFA 的 1-shot 結(jié)果甚至高于一些方法 10-shot 的結(jié)果。

消融實(shí)驗(yàn)

a）不同模塊的作用。如下表三所示，VFA 的不同模塊可以共同作用，提升模型的性能。

b） 不同特征聚合方法可視化分析。如下圖三所示，CAA 可以減小基礎(chǔ)類與新穎類之間的混淆；VFA 在 CAA 的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增強(qiáng)了類間的區(qū)分度。

c）更加準(zhǔn)確的類別中心點(diǎn)估計(jì)。如下圖四所示，VFA 可以更加準(zhǔn)確的估計(jì)出類別的中心。且隨著樣本數(shù)量的減少，估計(jì)的準(zhǔn)確度逐漸高于基線方法。這也解釋了為什么我們的方法在樣本少的情況下（K=1）表現(xiàn)的更好。

d）結(jié)果可視化。

結(jié)語

本文回歸了基于元學(xué)習(xí)的 FSOD 中特征聚合方法，并提出了類別無關(guān)特征聚合 CAA 和變分特征聚合 VFA。CAA 可以減少基礎(chǔ)類和新穎類之間的類別偏差和混淆；VFA 將樣本轉(zhuǎn)換為類別分布以實(shí)現(xiàn)更加魯棒的特征聚合。本文提出的方法在 PASCAL VOC 和 MS COCO 數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)證明了其有效性。