ICML 2024 Oral｜外部引导的深度聚类新范式

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• 论文题目：Image Clustering with External Guidance
• 论文地址：https://arxiv.org/abs/2310.11989
• 代码地址：https://github.com/XLearning-SCU/2024-ICML-TAC

• 如何构建图像的文本表征；
• 如何协同图像和文本进行聚类。

考虑到过多的语义中心会关注过于细粒度的特征，不利于区分不同类别的图像，而过少的语义中心则会难以准确覆盖位于聚类边界图像的语义，本文提出根据样本点的个数估计k-means算法中合适的k值（实验中选取k=N/300，N为图像个数），并计算图像语义中心如下：

其中当且仅当图像属于第l个聚类，表示第i张图像经过CLIP图像编码器后得到的表征。在得到图像语义中心后，为了选取具有代表性的名词集合，与常见的CLIP Zero-shot分类相反，本文将所有WordNet中的名词划分到k个图像语义中心，其中第i个名词属于第l和语义中心的概率为：

其中sim表示余弦相似性，表示第i个名词经过预训练好的文本编码器后得到的表征。保留每个语义中心对应概率最高的名词，作为组成文本空间的候选词。

其中，表示第i张图像对应的文本模态中的表征，表示组成文本空间的第j个候选名词，控制检索的平滑程度。

至此，作者为每张图像构建出了其在文本模态中的表征。此时可通过在文本和图像的拼接表征直接使用经典k-means聚类方法来实现图像聚类。

具体地，为每张图像构建邻居集合，并引入一个聚类网络f对每个图像表征做出聚类指派，在每次迭代中，计算所有图像和其邻居集合中随机的一个图像的聚类指派，记为：

相类似的，引入另一个聚类网络g来对每个文本表征做出聚类指派，同样为每个文本表征构建邻居集合，在每次迭代中，计算所有文本和其邻居集合中随机的一个文本的聚类指派，记为：

其中和分别对应文本i及其邻居的聚类指派，Q和Q^N同样均为n*K的矩阵。

其中分别表示聚类指派矩阵P,P^N,Q,Q^N的第i列，为温度系数。该损失函数一方面能通过跨模态邻居之间的聚类指派一致性实现图文模态的协同，另一方面能扩大不同的类簇之间的差异性。

此外，为了使训练过程更加稳定，本文设计了另外两个正则项损失函数。首先，为了鼓励模型做出更加置信的聚类指派，提出如下损失函数：该损失函数在和均为独热（One-hot）编码时被最小化，因此能提升聚类指派的置信度。另外，为了防止模型将大量图像和文本都分配到个别类簇中，提出了以下损失函数：

其中和分别表示图像和文本模态中整体的聚类分布。

• 如何选择合适的外部知识；
• 如何有效的整合外部知识以辅助聚类。

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