澄澈的眼|GAN/VAE地位难保？Flow在零样本识别任务上大显身手
作者 | 秦杰、沈钰明
编辑 | 陈大鑫
计算机视觉三大会议之一的ECCV 2020刚刚落下帷幕 ， 本文主要介绍阿联酋起源人工智能研究院（IIAI）的科学家们在该会议上发表的一篇论文：《Invertible Zero-Shot Recognition Flows》 。
该工作首次提出了一种基于生成流（Generative Flow）模型的零样本学习方法 ， 并在多个数据库上取得了目前最好的识别结果 。
论文链接：
1 零样本学习简介
众所周知 ， 在当今计算机视觉领域 ， 深度学习可谓“一统天下” ， 在诸多视觉任务中都取得了目前最好的（检测、识别、分割等）结果 。 而数据可谓是深度学习算法的“Buff” ， 算法的好坏往往取决于是否有充足且多样性的标注好的训练数据 。
举例而言 ， 我们要识别下图中的三种动物 ， 那么首先我们需要标注大量老虎、兔子和斑马的图片 ， 然后基于这些有标签的图片训练深度学习模型 ， 最后将未知类别的图片输入训练好的模型中 ， 才能够准确识别出图片中包含的动物类别 。
然而 ， 在实际应用场景中 ， 我们往往会遇到以下“尴尬”情况：当我们在训练深度学习模型时 ， 能“看见”的是标注好的大量老虎和兔子的图片 ， 然而我们需要识别的图片中包含的却是斑马 。 可以预见的是 ， 不管我们使用多么先进的模型架构 ， 将斑马输入训练好的模型后 ， 所得到的预测结果很有可能就是老虎（为啥？很简单 ， 因为老虎和斑马长得更像不是嘛） 。
如下图所示 ， 我们把斑马称作不可见类别（Unseen Class） ， 而老虎和兔子就属于可见类别（Seen Class） ， 而这个问题则被称为零样本识别（Zero-Shot Recognition）问题 ， 用来解决这一类问题的方法则被称为零样本学习（Zero-Shot Learning ， ZSL）方法 。
在现实生活中 ， 类似情况是十分常见的 ， 因为：
1、“斑马”可能是新型物种 ， 我们使劲浑身解数也没法捕捉到它那“迷人”的一瞬间 。 2、有人见过“斑马” ， 但还是没法拍到它的照片 ， 因为它可能是人体内的某个器官（每拍一次就会受一次辐射 ， 这谁受得了） 。 换而言之 ， 世界瞬息万变 ， 新物种、新概念、新类型层出不穷 ， 我们无法或很难获取某些类别的标注数据 。
那么 ， 我们怎么才能识别这令人摸不着头脑的“斑马”呢？
答案是——买装备！哦不对 ， 是借助语义信息（Semantics） 。
啥叫语义信息？很简单 ， 就是我们在描述某类事物特征时用到的一些形容词 ， 比如斑马是“条纹状的”、“黑白相间的”、“毛茸茸的”、“脸长长的”等等 。 同样的 ， 我们也可以对老虎和兔子进行描述 。
需要注意的是 ， 这些描述类形容词在三种动物间是共享的 ， 更一本正经的说：这些形容词共存于一个预先定义好的语义空间（Semantic Space）中 ， 在这个空间中每种动物都有与之相对应的语义编码（Semantic Embedding） 。 这样一来 ， 我们有了这些辅助信息 ， 就可以自信地解决零样本问题了 。
具体来说 ， 目前主流的零样本学习方法主要遵循以下三种思路：
1、学习视觉空间到语义空间的映射关系使用这种方式 ， 我们就可以学习到老虎和兔子身上的各种属性信息 。 当我们从未谋面的斑马进入我们的视野 ， 我们就可以用学习到的映射关系来描述它 。 比如 ， 我们可以自信的说 ， 我们见到了一种动物 ， 它身上是条纹状的、黑白相间的、毛茸茸的等等 。 从此 ， 我们只要见到斑马的图片 ， 就可以自然地把它们归为我们不知道名字的那一类动物 。 或者 ， 我们也可以帮它取个名字叫“XX” ， 那我们就可以把斑马图片归类为“XX”类动物 。 至此 ， 我们就可以识别出未知的动物类别了 。
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