Multi-label learning 第一周

本文介绍了多标签学习的概念,对比了传统机器学习与多标签学习的区别,并列举了多标签学习的常见算法及评估指标,如MLSVM、RankSVM等。

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Multi-Label Learning 第一周

Multi-Label Learning的含义

  从今天开始Multi-Label Learning的学习,我会把学习的一点点心得记录下来,如果有不对的地方,请您指正。

  Multi-Label Learning,顾名思义,指的就是多标签学习。其中,learning,当然指的是机器学习,而这里要研究的重点,就集中在Multi-label上。

传统机器学习

  在传统的监督学习中,我们的研究对象集合中的一个个体一般通过一个实例(instance),也就是一个特征向量来表达。然后这个实例会与一个标签(label)联系起来,这个标签用来表达这个研究对象的特征(比如它的类别信息)。如下图:
这里写图片描述

  用公式化的说法,就是令 X 为实例(instance)空间, Y 为标签(label)空间,我们的目标就是从数据集 { (x1,y1),(x2,y2)

### 基于类原型对比学习多标签和细粒度教育视频分类中的应用 #### 类原型对比学习的核心概念 类原型对比学习是一种通过构建类别级别的代表性向量(即类原型),并利用这些原型之间的关系来进行特征学习的方法。这种方法能够有效捕捉类间差异以及类内一致性,从而提升模型的泛化能力[^1]。 具体而言,在多标签场景下,每个类别的原型可以通过该类别下的所有样本嵌入向量计算得到。通常采用均值池化的方式生成类原型 \( C_k \),其中 \( k \) 表示第 \( k \) 个类别: \[ C_k = \frac{1}{N_k} \sum_{i=1}^{N_k} f(x_i), \] 这里 \( N_k \) 是属于类别 \( k \) 的样本数量,\( f(x_i) \) 则是输入样本 \( x_i \) 经过编码器提取后的特征向量[^2]。 #### 对比损失函数的设计 为了实现更有效的特征表示学习,对比学习框架引入了一种特殊的损失函数——InfoNCE Loss (Information Noise Contrastive Estimation)。这种损失函数旨在最大化正样本对之间的相似性,同时最小化负样本对之间的相似性。对于给定查询样本 \( q \),其对应的正样本集合记作 \( P(q) \),而负样本集合则为 \( N(q) \),那么 InfoNCE Loss 可定义如下: \[ L_{contrastive}(q) = -\log \left( \frac{\exp(\text{sim}(q, p)/\tau)}{\sum_{n \in N(q)} \exp(\text{sim}(q,n)/\tau)+\sum_{p' \in P(q)} \exp(\text{sim}(q,p')/\tau)} \right). \] 这里的 \( \text{sim}() \) 函数通常是余弦相似度或者欧氏距离,参数 \( \tau \) 称为温度超参,控制分布的锐利程度。 #### 多标签与细粒度教育视频分类的应用挑战 当应用于多标签和细粒度教育视频分类时,主要面临以下几个方面的挑战: - **标签不平衡**:某些细粒度类别可能拥有远少于其他类别的标注数据,这会使得训练过程中难以形成可靠的类原型。 - **语义重叠**:不同类别之间可能存在较高的语义关联性,增加了区分难度。 - **时间依赖特性**:相比于静态图片,动态视频还包含了帧间的时间序列信息,这对建模提出了更高要求。 针对上述问题,可以考虑以下改进措施: 1. 引入自适应权重机制调整各类别的重要性; 2. 设计专门的模块捕获跨帧间的长期依赖关系,比如使用 LSTM 或 Transformer 结构; 3. 融合外部知识源辅助优化决策边界。 #### 实验验证与效果分析 实验表明,在多个公开基准数据集上,基于类原型对比学习的方法显著优于传统监督方法以及其他无监督预训练方案。特别是在低资源环境下,由于充分利用了有限样例内部的信息结构,性能优势更加明显。 ```python import torch.nn.functional as F def info_nce_loss(query_embeddings, positive_embeddings, negative_embeddings, temperature=0.5): """ Compute the contrastive loss using InfoNCE formulation. Args: query_embeddings (Tensor): Query embeddings of shape [batch_size, embedding_dim]. positive_embeddings (Tensor): Positive sample embeddings of same shape. negative_embeddings (Tensor): Negative samples with shape [num_negatives * batch_size, embedding_dim]. temperature (float): Temperature parameter controlling sharpness. Returns: Tensor: Scalar value representing computed loss. """ # Normalize all vectors to unit length queries_norm = F.normalize(query_embeddings, dim=-1) positives_norm = F.normalize(positive_embeddings, dim=-1) negatives_norm = F.normalize(negative_embeddings, dim=-1) logits_pos = torch.sum(queries_norm * positives_norm, dim=-1).unsqueeze(-1) / temperature logits_neg = torch.matmul(queries_norm.unsqueeze(1), negatives_norm.T.permute(0, 2, 1)) / temperature full_logits = torch.cat([logits_pos, logits_neg], dim=-1) labels = torch.zeros(full_logits.shape[:2]).to(logits_pos.device).long() return F.cross_entropy(full_logits.view(-1, full_logits.size(-1)), labels.view(-1)) ```
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