2022-《Deep Clustering: A Comprehensive Survey》


一、研究动机与核心贡献

传统聚类方法严重依赖手工设计的特征表示,面对高维、非线性、多模态或噪声数据时性能受限。深度聚类(Deep Clustering)通过深度融合深度表示学习与聚类目标,旨在端到端地学习对聚类友好的低维嵌入表示

已有综述主要聚焦于单视图设定网络架构分类 (如自编码器、CNN、GAN),忽略了真实世界聚类任务中数据来源的多样性与初始条件的复杂性 。本综述的核心贡献 在于:首次从"数据源和初始条件"的角度,对深度聚类方法进行系统性分类与分析,覆盖了更广泛的现实应用场景。


二、系统性分类框架

作者提出一个四类分层的框架,结构清晰,逻辑严谨:

  1. 深度单视图聚类(Deep Single-View Clustering)

    • 基础设定:数据来自单一模态/视图。
    • 按网络架构细分
      • DAE-based(如 DEC、IDEC):利用自编码器的重构损失与聚类损失联合优化。
      • DNN-based(如 DeepCluster、IIC):通过设计额外任务(如互信息最大化、对比学习)引导特征学习。
      • VAE-based(如 VaDE、GMVAE):基于概率生成模型,将聚类嵌入到变分推断框架中。
      • GAN-based(如 ClusterGAN、DASC):利用对抗学习提升表示的判别性,并引入聚类导向的损失。
      • GNN-based(如 DAEGC、SDCN):专为图结构数据设计,联合学习图嵌入与聚类。
  2. 半监督深度聚类(Semi-Supervised Deep Clustering)

    • 利用少量先验知识(如 must-link/cannot-link 约束)。
    • 典型方法 :在 DEC 等无监督框架基础上,增加成对约束损失项(如欧氏距离惩罚项),引导嵌入空间结构。
  3. 深度多视图聚类(Deep Multi-View Clustering)

    • 利用多源/多模态数据的一致性与互补性
    • 三大技术路线
      • DEC-based 扩展(如 DAMC、DEMVC):协同训练多视图编码器,共享聚类目标。
      • 子空间聚类-based(如 DMVSSC、MVDSCN):利用自表达(self-expression)性质,在深度框架中学习多视图一致的亲和矩阵。
      • GNN-based(如 Multi-GCN、CMGEC):处理多视图图数据,自适应融合多图结构信息。
  4. 基于迁移学习的深度聚类(Deep Clustering with Transfer Learning)

    • 解决目标域标注缺失、样本稀疏等问题,从源域迁移知识。
    • 两大技术路线
      • DNN-based(如 DAN、SRDC):使用 MMD、CORAL 等度量对齐源/目标域特征分布;部分方法借鉴 DEC 思想进行结构正则化。
      • GAN-based(如 DANN、CoGAN、CyCADA):利用判别器对齐域分布,或通过图像/特征级翻译生成带标签的"伪目标样本"。

三、关键洞见与未来方向

作者不仅系统梳理了方法,更提炼出若干深刻洞见:

  • 表示学习与聚类目标的耦合方式是深度聚类设计的核心。早期方法(如 AEC)是"分离式"的(先学表示再聚类),而主流方法(如 DEC)已转向"联合式"优化,显著提升性能。
  • 数据结构驱动网络选择:图数据 → GNN;图像数据 → CNN;多模态 → 多分支/融合网络。
  • 正则化与鲁棒性:数据增强、自步学习(self-paced learning)、对抗训练等已成为提升模型鲁棒性的标配技术。
  • 理论基础薄弱:目前缺乏对"表示质量---聚类性能"之间关系的理论分析,这是未来亟需突破的方向。

未来研究方向(作者提出):

  • 理论探索:建立深度聚类的优化与泛化理论。
  • 大规模复杂数据处理:结合图学习与高效优化算法。
  • 模型效率与泛化:解决小样本过拟合、大模型计算开销问题。
  • 多视图深度融合:如何有效融合异构信息并抑制噪声。
  • 图深度聚类:更充分地利用图结构信息(如高阶连接、动态图)。

四、总结评价

本文是一篇结构清晰、覆盖全面、视角新颖 的深度聚类领域权威综述。其最大价值在于跳出了"网络架构"的单一维度 ,从数据源和任务设定 的更高层面构建了统一的分类体系,为研究者提供了按需选型、按问题定制方法 的清晰路线图。同时,文章对各类方法的优劣、适用场景及未来挑战的分析,具有极强的指导意义,是该领域研究者不可或缺的参考文献。

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