多类别分类应对未知输入的方法解析

本篇文章给大家分享《多类别分类应对未知输入的策略解析》，覆盖了文章的常见基础知识，其实一个语言的全部知识点一篇文章是不可能说完的，但希望通过这些问题，让读者对自己的掌握程度有一定的认识(B 数)，从而弥补自己的不足，更好的掌握它。

在多类别图像分类应用中，模型常会为不属于任何已知类别的图片强制分配一个结果。本文将探讨这一常见问题，并提供一种两步走的解决方案：首先通过二分类模型判断图像是否包含目标对象，若包含再进行多类别识别，从而有效处理“无匹配”输入，提升分类系统的准确性和用户体验。

引言：多类别分类器的固有局限性

在开发基于深度学习的图像分类应用时，一个常见的问题是：当用户上传的图片不属于模型训练过的任何一个类别时，模型仍然会从其已知类别中强制选择一个作为结果。例如，一个专门用于识别水果种类的应用，在接收到一张风景照时，可能会错误地将其识别为“健康西瓜”或“芒果炭疽病”。这不仅导致了错误的输出，也严重影响了用户体验和应用的可靠性。

这种现象的根本原因在于，标准的多类别分类器（特别是那些使用Softmax激活函数作为输出层的模型）旨在将每个输入分配到其训练过的所有类别之一。Softmax输出的是一个概率分布，所有类别的概率之和为1。这意味着即使输入图像与所有已知类别都相去甚远，模型也会计算出一个“最接近”的类别，并赋予其相对较高的概率。模型本身并没有一个内置的机制来判断“这个输入不属于任何已知类别”。

核心策略：两阶段分类方法

为了解决上述问题，一种有效且推荐的方法是采用两阶段分类策略。这种方法将问题分解为两个独立的、更易于管理的部分：

第一阶段：二元存在性检测

• 目标： 判断输入图像中是否包含任何目标对象（例如，是否包含“水果”）。
• 实现： 训练一个独立的二分类模型。这个模型只负责回答一个简单的问题：“是目标对象”还是“不是目标对象”。
  • 训练数据： 需要构建一个包含两类图像的数据集：一类是明确包含目标对象的图像（例如，各种水果的图片），另一类是明确不包含目标对象的图像（例如，风景、人物、动物、建筑物等）。确保“不包含目标对象”的类别数据足够多样化，以覆盖各种可能的无关输入。
  • 模型输出： 这个模型会输出一个布尔值（或一个表示置信度的分数），表明图像中是否存在目标对象。
• 作用： 作为预过滤器，它能够有效地将无关的输入排除在外，防止它们进入后续的具体分类阶段。

第二阶段：多类别具体识别

• 目标： 如果第一阶段确认图像中存在目标对象，则进一步识别其具体的类别。
• 实现： 使用现有的多类别分类模型（例如，原始的 FruitDisease 模型）。
• 条件： 仅当第一阶段的二分类模型判断为“存在目标对象”时，才将图像输入到此多类别分类模型进行详细识别。

通过这种两阶段方法，当用户上传一张非水果图片时，第一阶段的模型会将其识别为“非水果”，从而避免了第二阶段多类别模型进行无效的识别，并允许应用显示“未检测到植物”等恰当的提示信息。

代码实现示例

以下代码示例展示了如何将原始的 classifyImage 函数改造为采用两阶段策略：

private void classifyImage(Bitmap image) {
    // 假设我们有一个预训练的二分类模型来判断图像中是否存在水果
    // isFruitPresent() 方法需要您自行实现，它会返回一个布尔值
    // 或者返回一个置信度，您再根据阈值判断
    boolean fruitDetected = isFruitPresent(image); 

    if (fruitDetected) {
        try {
            // 如果检测到水果，则进行多类别分类
            FruitDisease model = FruitDisease.newInstance(getApplicationContext());

            // 图像预处理 (与原代码相同)
            TensorBuffer inputFeature = TensorBuffer.createFixedSize(new int[]{1, 224, 224, 3}, DataType.FLOAT32);
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(4 * imageSize * imageSize * 3);
            byteBuffer.order(ByteOrder.nativeOrder());

            int[] intValue = new int[imageSize * imageSize];
            image.getPixels(intValue, 0, image.getWidth(), 0, 0, image.getWidth(), image.getHeight());

            int pixel = 0;
            for (int i = 0; i < imageSize; i++) {
                for (int j = 0; j < imageSize; j++) {
                    int val = intValue[pixel++];
                    byteBuffer.putFloat(((val >> 16) & 0xFF) * (1.f / 255.f));
                    byteBuffer.putFloat(((val >> 8) & 0xFF) * (1.f / 255.f));
                    byteBuffer.putFloat((val & 0xFF) * (1.f / 255.f));
                }
            }
            inputFeature.loadBuffer(byteBuffer);

            // 执行模型推理
            FruitDisease.Outputs outputs = model.process(inputFeature);
            TensorBuffer outputFeature0 = outputs.getOutputFeature0AsTensorBuffer();

            float[] confidences = outputFeature0.getFloatArray();
            int maxPos = 0;
            float maxConfidence = 0;
            for (int i = 0; i < confidences.length; i++) {
                if (confidences[i] > maxConfidence) {
                    maxConfidence = confidences[i];
                    maxPos = i;
                }
            }

            String[] classes = {"Watermelon Healthy", "Watermelon Blossom End Rot", "Watermelon Anthracnose",
                    "Mango Healthy", "Mango Bacterial Canker", "Mango Anthracnose",
                    "Orange Scab", "Orange Healthy",
                    "Orange Bacterial Citrus Canker", "Banana Healthy", "Banana Crown Rot",
                    "Banana Anthracnose", "Apple Scab", "Apple Healthy", "Apple Black Rot Canker"};

            // 显示识别结果和置信度
            result.setText(classes[maxPos]);
            StringBuilder s = new StringBuilder();
            for (int i = 0; i < classes.length; i++) {
                s.append(String.format("%s: %.1f%%\n", classes[i], confidences[i] * 100));
            }
            confidence.setText(s.toString());
            confidence.setVisibility(View.VISIBLE);

            // 释放模型资源
            model.close();

        } catch (IOException e) {
            // 处理错误
            result.setText("模型加载失败或图像处理错误。");
            confidence.setVisibility(View.GONE);
            e.printStackTrace();
        }
    } else {
        // 如果未检测到水果，显示相应的消息
        result.setText("未检测到植物。请上传一张包含水果的图片。");
        confidence.setVisibility(View.GONE); // 隐藏置信度信息
    }
}

// 这是一个概念性的函数，需要根据您的二分类模型进行具体实现
private boolean isFruitPresent(Bitmap image) {
    // 这里将集成您的二分类模型推理逻辑
    // 例如，使用另一个 TensorFlow Lite 模型来判断图像是否包含水果
    // 假设该模型返回一个置信度分数，我们设置一个阈值
    // float fruitPresenceConfidence = runBinaryClassifier(image);
    // return fruitPresenceConfidence > 0.7; // 假设阈值为0.7

    // 暂时返回true，以便编译，实际项目中需要替换为真实逻辑
    return true; 
}

替代方案：N+1类别训练

另一种处理“无匹配”输入的方法是在原始的多类别分类模型中增加一个额外的类别，例如“未知”、“其他”或“非目标对象”。这样，模型在训练时会学习将不属于任何特定水果的图像归类到这个新类别。

然而，这种方法存在显著的挑战：

• 数据不平衡： 难以收集足够且多样化的“未知”类别数据。理论上，“未知”类别应该涵盖所有非目标对象的可能性，这在实践中几乎不可能实现。如果“未知”类别的数据量不足或代表性不强，模型可能无法有效学习其特征。
• 定义模糊： “未知”类别的边界难以明确定义。模型可能会将一些与已知类别特征相似但并非目标对象的图像错误地归类为已知类别，或者将一些本应识别的图像归类为“未知”。
• 性能下降： 增加一个宽泛的“未知”类别可能会稀释模型对核心类别的识别能力，导致整体性能下降。

鉴于这些挑战，两阶段分类方法通常被认为是更鲁棒和更易于管理的选择。

注意事项与最佳实践

1. 训练数据质量： 无论采用哪种方法，训练数据的质量都至关重要。对于二分类模型，“非目标”类别的数据集应尽可能多样化，包含各种不应被识别为目标对象的图像，以增强模型的泛化能力。
2. 置信度阈值： 即使采用了两阶段方法，也可以在每个阶段结合置信度分数进行判断。例如，如果二分类模型判断为“存在目标对象”，但置信度非常低，或者多类别模型给出的最高置信度也低于某个预设阈值，仍然可以将其视为“不确定”或“无法精确识别”。
3. 用户体验： 提供清晰、友好的反馈信息至关重要。当模型无法识别或检测到目标对象时，应显示如“未检测到植物”、“图像内容不明确”或“无法识别此类型的水果”等具体消息，而不是简单地报错。
4. 模型复杂性与性能： 引入额外的二分类模型会增加推理时间和资源消耗。在实际部署时，需要根据应用场景和硬件限制权衡模型的大小和性能。通常，二分类模型可以设计得相对轻量，以减少开销。

总结

构建一个健壮的图像分类系统，不仅要能准确识别已知类别的对象，更要能有效地处理“无匹配”或“未知”的输入。通过采用两阶段分类方法——首先进行二元存在性检测，然后进行多类别具体识别——可以显著提升应用的准确性、可靠性和用户体验。这种策略避免了多类别分类器在面对无关输入时强制给出错误结果的固有局限性，是开发实用AI应用的关键一步。

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