深度学习之图像分类笔记

一、图像分类核心定义

图像分类是将不同图像划分到对应类别标签的任务,核心目标是实现最小分类误差,即让模型对图像类别的判断尽可能准确。

二、图像分类的三层境界

图像分类根据分类粒度和任务目标,可分为三个层次,难度与精细度逐层提升:

  1. 通用多类别图像分类面向通用性、差异明显的类别划分,典型案例为包含 10 类常见物体的分类任务,类别包括:airplane(飞机)、automobile(汽车)、bird(鸟类)、cat(猫)、deer(鹿)、dog(狗)、frog(青蛙)、horse(马)、ship(船)、truck(卡车)。

  2. 子类细粒度图像分类针对同一大类下的细分子类进行区分,需捕捉更细微的特征差异(例如:同属 "鸟类" 下的不同物种、同属 "汽车" 下的不同车型)。

  3. 实例级图片分类对同一物体的不同实例进行识别(例如:同一款手机的不同个体、同一人不同角度的照片),要求模型区分个体间的独特特征。

三、图像分类核心评估指标

评估指标用于衡量模型分类性能,核心指标围绕 "混淆矩阵" 展开,具体包括以下几类:

1. 混淆矩阵基础概念

混淆矩阵是评估二分类模型的基础工具,通过 4 个核心指标描述分类结果:

  • TP(True Positive,真正例):将正类样本正确预测为正类的数量。
  • FP(False Positive,假正例):将反类样本错误预测为正类的数量(误判)。
  • TN(True Negative,真反例):将反类样本正确预测为反类的数量。
  • FN(False Negative,假反例):将正类样本错误预测为反类的数量(漏判)。

2. 核心单指标

指标名称 定义 公式(基于二分类) 核心意义
精确率(Accuracy) 模型识别正确的样本数占总样本数的比例,是最常用的基础精度指标。 Accuracy = (TP + TN) / (TP + FP + TN + FN) 整体分类准确性
准确率(Precision) 模型预测为正类的样本中,真正为正类的比例("查准")。 Precision = TP / (TP + FP) 减少 "误判",保证正类纯度
召回率(Recall) 模型正确识别的正类样本占所有真实正类样本的比例("查全")。 Recall = TP / (TP + FN) 减少 "漏判",覆盖更多正类
F1-Score 精确率与召回率的调和平均数,平衡两者矛盾,避免单一指标偏差。 F1 = 2×(Precision×Recall) / (Precision + Recall) 综合衡量模型性能

3. P-R 曲线(精确率 - 召回率曲线)

  • 核心特点:召回率增加时,精确率通常会下降(两者存在 trade-off)。
  • 评价标准:曲线与坐标轴围成的面积越大,模型综合性能越好。
  • 局限性:对正负样本不均衡的数据敏感,易出现偏差。

4. 多类别分类的评估(k 分类问题)

  • 多类别混淆矩阵:为 k×k 矩阵,其中元素 Cij 表示 "第 i 类真实样本被预测为第 j 类" 的数量。
  • 核心判断
    • 主对角线元素之和 = 正确分类的样本总数;
    • 非主对角线元素之和 = 错误分类的样本总数;
    • 主对角线元素值越大,模型对对应类别的分类准确率越高,整体性能越好。

四、深度学习模型基本概念(以卷积神经网络为例)

1. 网络的深度

  • 定义 :深度学习的核心属性,指模型中最长路径的卷积层 + 全连接层数量(仅统计有效计算层,不含池化层等非参数层)。
  • 实例:LeNet 网络的深度为 5 层,具体构成:C1(卷积层 1)+ C3(卷积层 3)+ C5(卷积层 5)+ F6(全连接层 6)+ Output(输出层)。

2. 网络的宽度

  • 定义 :指网络中每一层的通道数,主要针对卷积层(通道数决定该层提取的特征维度)。
  • 实例:LeNet 网络的宽度:C1 层通道数为 6,C3 层通道数为 16。

五、图像分类中的关键问题:样本量过少及解决方案

1. 样本量过少的原因

核心原因是样本获取难度大,典型场景包括:

  • 工业产品:特殊工业部件、缺陷样本等,采集成本高、数量有限;
  • 医疗领域:稀有病例图像、医学影像(如 CT、MRI)等,受伦理和病例数量限制。

2. 解决方案

方案 1:迁移学习
  • 核心思路:利用 "预训练模型" 的已有特征提取能力,避免从零开始训练(减少对小样本的依赖)。
  • 关键依据:ImageNet 数据集包含海量通用图像,基于该数据集预训练的模型已具备强大的通用特征提取能力,可加速目标任务的模型收敛,提升小样本场景下的性能。
方案 2:数据增强

通过人工手段扩充样本数量,分为有监督和无监督两类方法:

  • 有监督方法:基于原始样本进行规则化变换(不改变样本类别标签),常见手段包括:平移、翻转(水平 / 垂直)、调整亮度 / 对比度、随机裁剪、缩放等;
  • 无监督方法 :通过生成模型创造新样本,典型技术为GAN(生成对抗网络),可生成与真实样本分布一致的新样本,补充训练数据。
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