关键词:
软生物特征估计
特征重构
网络正则化
自适应注意力
元学习
跨域跨任务学习
摘要:
软生物特征(Soft Biometrics)是指人体外部或内部可测量的、非唯一的、不精确的个体特征,例如年龄、人脸吸引力、身高、体型等。这些特征一般用于个体识别、行为分析、安全检测等领域,与传统的生物特征如人脸、指纹、虹膜相比,软生物特征具有较高的隐秘性、广泛的适用性等优点,还可以增强对人类主体的识别、验证和描述,因此在深度学习领域中受到越来越多的关注。然而,深度学习方法需要充足、高质量的数据和标签,而软生物特征估计任务还面临着数据隐私、数据权限、生物保护主义等更严峻问题,很难获得大规模带标签数据来支持神经网络的优化。同时,软生物估计任务不是简单的分类或回归问题,难以仅使用分类或回归方法解决。因此,本文从样本不足问题出发,结合软生物特征估计任务的特点以及各领域方法的优势,在样本的表征学习和估计方法两方面进行了改进和创新。具体地,本文的主要贡献如下:(1)针对训练数据不足问题,本文提出了一种基于独立性和一致性损失的重构特征估计方法。该方法在独立性与一致性损失的共同约束下,结合特征分离与重构网络,将与估计任务相关的特征分离,并与不同的人脸特征进行重构,以产生大量新特征样本用于正则化训练,有效缓解了样本不足问题。同时,软生物特征估计既不是简单的分类问题也不是完全的回归问题,对于不受人脸特殊属性约束的估计特征,使用标签分布和有序回归结合的方法优化,在CACD、Mega Age-Asian和SCUT-FBP5500数据集上的均方差结果分别降低了0.24、0.24、0.031。(2)为了将基于重构的表征学习方法应用于更广泛的领域,提出了一种基于注意力机制的自适应网络正则化方法。通过注意力引导的特征重构,对网络进行正则化训练,能够充分挖掘神经网络的学习潜力,极大提高卷积神经网络的鲁棒性。该轻量化的特征重构模块能够插入到不同任务的不同模型上,进一步提高图像分类与软生物特征估计任务的预测精度,而不会增加太多的额外资源。(3)通过分析软生物特征估计任务的特点,引入元学习思想,提出了一种无序估计任务下的有序验证方法。利用元学习策略在软生物特征估计任务上构造元任务,通过大量的无序元任务训练,模拟从一组估计示例中评估查询图像估计值的过程。结合有序校验器和有序回归分类器实现任务查询和估计。此外,基于CACD、Mega Age-Asian和SCUTFBP5500数据集,验证了提出的元估计方法在不同域、不同任务间的良好跨域跨任务学习性能,为缺乏训练样本的软生物特征估计任务提供了方法支持。