一、图像分类核心定义与三层境界
图像分类的核心目标是将不同图像划分到对应类别标签,以实现最小分类误差,具体可分为三层境界,难度与精度要求逐层提升:
• 通用多类别图像分类:最基础的分类层次,涵盖飞机、汽车、鸟、猫、鹿、狗、青蛙、马、船、卡车等常见大类,聚焦于不同物种或物品的宏观类别区分。
• 子类细粒度图像分类:针对同一大类下的细分品类进行分类,例如在"狗"这一大类中区分不同品种,对图像特征的细微差异识别能力要求更高。
• 实例级图片分类:精度要求最高的层次,需识别单个具体实例,比如区分同一品种中不同个体的图像,常用于需要精准定位特定对象的场景。
二、图像分类关键评估指标
评估指标是判断模型性能的核心依据,围绕混淆矩阵衍生出多个关键指标,同时包含专门的性能曲线分析:
- 基础指标:混淆矩阵
混淆矩阵是评估的基础,包含四个核心元素:
• TP(真正例):将正类预测为正类的样本数量;
• FP(假正例):将反类预测为正类的样本数量;
• TN(真反例):将反类预测为反类的样本数量;
• FN(假反例):将正类预测为反类的样本数量。
对于k分类问题,混淆矩阵为k×k矩阵,元素Cij表示第i类样本被判定为第j类的数量,主对角线元素和为正确分类数,其余为错误分类数,对角线值越大,分类器准确率越高。
- 核心衍生指标
• 精确率(Accuracy):最常用的性能指标,计算公式为"模型识别正确的个数/样本总个数",直接反映模型整体精度,精度越高通常模型效果越好。
• 准确率(Precision,查准率):聚焦正类预测的准确性,公式为"真正例数量/(真正例数量+假正例数量)",表示模型识别为正类的样本中真正为正类的比例。
• 召回率(Recall,查全率):关注正类样本的覆盖度,公式为"真正例数量/(真正例数量+假反例数量)",体现模型正确识别所有正类样本的能力。
• F1_Score:综合准确率与召回率的调和平均数,可平衡两者矛盾,当准确率和召回率难以同时提升时,F1_Score能更全面地反映模型性能。
- P-R曲线分析
P-R曲线通过横轴(召回率)和纵轴(精度)的变化关系评估模型,具有三个关键特性:召回率增加时精度会下降;曲线与坐标轴围成的面积越大,模型性能越优;对正负样本不均衡情况敏感,样本分布差异会显著影响曲线形态。
三、模型基本概念:深度与宽度
模型的结构特征主要通过深度和宽度定义,以经典的LeNet网络为例:
• 网络深度:深度学习的核心属性,计算最长路径上卷积层与全连接层的总数量。LeNet网络包含C1、C3、C5(卷积层)和F6、Output(全连接层),共5层,深度直接影响模型对复杂特征的提取能力。
• 网络宽度:以卷积网络层的通道数衡量,代表每一层处理特征的维度。LeNet网络中,C1层有6个通道,C3层有16个通道,宽度越大,模型单次可提取的特征信息越丰富。
四、样本量过少问题及解决方案
在工业产品、医疗等领域,常因样本获取困难面临样本量过少的问题,导致模型训练效果不佳,主要有两种解决方案:
• 迁移学习:借助预训练模型提升训练效率,利用ImageNet等具有通用性的大型数据集进行预训练,让模型先学习通用图像特征,再针对目标任务微调,可大幅加速模型收敛,降低对目标任务样本量的依赖。
• 数据增强:通过技术手段扩充样本数量,分为有监督和无监督两种方法:
◦ 有监督方法:基于已有样本进行简单变换,包括平移、翻转、调整亮度、修改对比度、裁剪、缩放等,操作简单且能保留样本核心特征;
◦ 无监督方法:通过GAN(生成对抗网络)生成全新的、符合目标任务特征的样本,再用于模型训练,适用于样本极度稀缺的场景。