NetVLAD:CNN architecture for weakly supervised place recognition

本文介绍了一种改进的VLAD层——NetVLAD,该层可以接在CNN结构之后,用于地方识别任务。文章提出了两种贡献:一是NetVLAD层的设计;二是基于弱监督排名损失的训练方案,实现了端到端的学习。

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NetVLAD:CNN architecture for weakly supervised place recognition

写在前面:博主并不是做这个place recognition方向的,所以这篇paper我大概只看到netvlad层,后面的loss并不懂。因为近期做行为识别,想改进一下帧与帧之间的融合方案,所以过来学习一下vlad。

ps.github的netvlad用pytorch实现的代码并不多啊~好多都是tensorfow写的,可读性非常差....

abstract

本文的两点贡献:

1)提出NetVLAD,改进了原始的VLAD,该层可接在CNN结构后面

2)提出一种训练方案,based on a new weakly supervised ranking loss,使得VALD在CNN中的应用变成end-to-end

Method

1)给定一张图片Ii,函数f(放在网络中,就是一系列卷积+bn+激活+pooling等)产生一个固定size的向量,f(Ii)。如何优化产生的向量表征f(Ii)?通过改进的netvald。

2)place recognition的整体框架

        a)我们裁剪掉CNN的最后一个卷积层之后的其他层,并将它视为 a dense descriptor extractor。那么最后一个卷积层的输出为H*W*D的特征,对于每个空间点,都是一个D维度的向量。

        b)参考VLAD,设计新的pooling层,即NetVLAD,将得到的特征转化为固定大小的图像表征

3)NetVLAD

          回顾一下VLAD:captures information about the statistics of local descriptors aggregated over the image。给定N个D维度的图像描述符{xi}和k个聚类中心{ck},则VLAD的输出为V,V是K*D维向量,V中第(j,k)个元素的计算方式:

这里ak(xi)是权重,表示空间特征上第i个点和第k个聚类中心的关系。如果对于xi,如果ck是最近的类别,则权重为1,否则为0。

但这里权重ak(xi)只能为1或0,改进一下,使得权重变为0-1之间的小数。

其实我看的也不太懂(之后看懂了再过来补)。直接上代码吧(pytorch版本):

假设输入为2d图像,netvlad一般接在最后一个conv后面,那么输入到netvlad的特征,shape=[b,c,h,w]。一般c会很大,例如在resnet50中,c=2048。

1)如果normalize_input,则在dim=1进行归一化,也就是c的维度

2)求soft_assign,也就是上述的ak(xi),这里的conv是1*1卷积,将原channel维度降到k(聚类中心个数),然后view对特征x进行reshape,此时soft_assign的shape为[b,k,h*w]。再在dim=1,也就是k的维度进行softmax归一化

3)展开x,x_flatten的shape为[b,c,h*w]

计算x_flatten与聚类中心,self.centroids的残差,self.centroids的原始shape=[k,c],将x_flatten和self.centroids都扩展为适合减的维度。

4)残差与soft_assign相乘,后面就是参照公式的求和,归一化等等。


 

<think>好的,我现在需要帮助用户了解多类标记Transformer(MCTformer)在弱监督语义分割中的应用或实现。首先,我得先回顾一下用户提供的引用内容,看看有哪些关键点需要覆盖。 根据引用[2]和[4],MCTformer的核心是使用多个类别特定的token,替代传统ViT中的单一cls token。这样每个类别的token可以生成对应的注意力图,从而定位不同类别的对象。这点很重要,需要详细解释。 然后,用户提到实现和应用。应用方面,引用[5]指出MCTformer能生成高质量的伪标签,用于训练语义分割模型。实现的话,可能需要包括模型架构,比如多类token的设计,类感知训练策略,以及如何结合补丁到补丁的注意力来优化定位图,如引用[2]所述。 还有,引用[3]讨论的过度平滑问题,MCTformer可能通过多类token和注意力机制来缓解,这也是一个值得提到的点。此外,如何与CAM互补,如引用[2]和[5]提到的,需要说明两者结合的优势。 用户可能需要具体的实现步骤或代码结构,但根据引用中没有提供代码,可能需要从架构层面描述。例如,模型由哪些部分组成,训练时如何利用多类token,如何计算损失等。 需要确保回答结构清晰,分点说明原理、实现步骤和应用场景,并引用正确的来源。同时,要使用中文,数学公式用$...$,独立公式用$$...$$,但根据问题描述,可能不需要太多公式,但如果有的话要注意格式。 最后,生成相关问题,帮助用户进一步探索。比如优化方法、与其他技术的对比、实验效果等。这些问题应该基于引用内容,比如引用[3]提到的过度平滑解决方案,可以作为相关问题之一。 现在,整理这些思路,确保覆盖所有关键点,引用正确的文献,并保持回答的自然流畅。</think>### 多类标记Transformer(MCTformer)在弱监督语义分割中的应用与实现 #### 核心原理 1. **多类标记设计** 传统视觉Transformer(ViT)仅使用单个`[CLS]`标记生成类别无关的注意力图(class-agnostic)。而MCTformer引入与类别数量相等的多个`[CLS]`标记,每个标记对应一个特定类别(class-specific)。通过类到补丁(class-to-patch)的注意力机制,可直接定位不同类别对象的空间区域[^4]。 **数学表示**:设类别数为$C$,则注意力图矩阵为$A \in \mathbb{R}^{C \times N}$($N$为图像块数量),每个类别对应一行注意力权重。 2. **补丁间关联优化** 通过补丁到补丁(patch-to-patch)的Transformer自注意力,捕捉图像块之间的语义关联性。例如,若两个补丁的注意力权重较高,则可能属于同一物体。这有助于细化初始定位图,解决边界模糊问题[^2]。 3. **与CAM的互补性** MCTformer生成的注意力图可与传统的类激活图(CAM)结合: $$ L_{final} = \alpha L_{MCT} + (1-\alpha)L_{CAM} $$ 其中$\alpha$为权重系数,实验表明两者结合可显著提升伪标签质量[^5]。 #### 实现步骤 1. **模型架构** - **输入**:图像分割为$N$个补丁,嵌入为序列$X \in \mathbb{R}^{N \times d}$。 - **多类标记**:添加$C$个可学习的类别标记$\{t_1, t_2, ..., t_C\}$,构成输入序列$[t_1, t_2, ..., t_C; X]$。 - **Transformer编码器**:通过多层自注意力计算,输出标记与补丁的交互特征。 2. **类感知训练策略** - 仅用图像级类别标签监督,损失函数为多标签分类损失: $$ \mathcal{L}_{cls} = -\sum_{c=1}^C y_c \log(p_c) $$ 其中$y_c$为类别$c$的标签,$p_c$为预测概率。 - **注意力图生成**:从最后一层Transformer提取类标记与补丁的注意力权重,归一化后得到定位热图。 3. **定位图优化** - 利用低层Transformer的patch-to-patch注意力构建亲和矩阵$S \in \mathbb{R}^{N \times N}$,通过随机游走(Random Walk)优化初始定位图: $$ \hat{A}_c = S \cdot A_c $$ 其中$A_c$为类别$c$的初始注意力图。 #### 应用场景 1. **伪标签生成** MCTformer输出的定位图可直接作为语义分割模型的训练标签。例如,在PASCAL VOC数据集上,其生成的伪标签mIoU达到68.2%,优于CAM基线(56.3%)[^5]。 2. **与其他技术的结合** - **弱监督目标检测**:定位图可扩展用于对象边界框预测。 - **医学图像分析**:在标注稀缺的医疗影像(如肿瘤分割)中减少人工标注成本。 #### 代码框架(伪代码) ```python class MCTformer(nn.Module): def __init__(self, num_classes, embed_dim): super().__init__() self.cls_tokens = nn.Parameter(torch.randn(num_classes, embed_dim)) # 多类标记 self.transformer = TransformerEncoder() # 标准Transformer编码器 def forward(self, x): # x: [batch_size, num_patches, embed_dim] cls_tokens = self.cls_tokens.unsqueeze(0).expand(x.size(0), -1, -1) x = torch.cat([cls_tokens, x], dim=1) # 拼接多类标记 x = self.transformer(x) # 提取类标记与补丁的注意力权重 attn_weights = self.transformer.get_last_selfattention()[:, :, :num_classes, :] return attn_weights ```
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