虽然像CNNs这样的深度学习模型在医学图像分析方面取得了很大的成功,但是小型的医学数据集仍然是这一领域的主要瓶颈。为了解决这个问题,研究人员开始寻找现有医疗数据集之外的外部信息。传统的方法通常利用来自自然图像的信息。最近的研究利用了来自医生的领域知识,通过让网络模仿他们如何被训练,模仿他们的诊断模式,或者专注于他们特别关注的特征或领域。本文综述了将医学领域知识引入疾病诊断、病变、器官及异常检测、病变及器官分割等深度学习模型的研究进展。针对不同类型的任务,我们系统地对所使用的不同类型的医学领域知识进行了分类,并给出了相应的整合方法。最后,我们总结了挑战、未解决的问题和未来研究的方向。

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机器学习的一个分支,它基于试图使用包含复杂结构或由多重非线性变换构成的多个处理层对数据进行高层抽象的一系列算法。

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摘要

一个综合的人工智能系统不仅需要用不同的感官(如视觉和听觉)感知环境,还需要推断世界的条件(甚至因果)关系和相应的不确定性。在过去的十年里,我们看到了许多感知任务的重大进展,比如视觉对象识别和使用深度学习模型的语音识别。然而,对于更高层次的推理,具有贝叶斯特性的概率图模型仍然更加强大和灵活。近年来,贝叶斯深度学习作为一种将深度学习与贝叶斯模型紧密结合的统一的概率框架出现了。在这个总体框架中,利用深度学习对文本或图像的感知可以提高更高层次推理的性能,推理过程的反馈也可以增强文本或图像的感知。本文对贝叶斯深度学习进行了全面的介绍,并对其在推荐系统主题模型控制等方面的最新应用进行了综述。此外,我们还讨论了贝叶斯深度学习与其他相关课题如神经网络的贝叶斯处理之间的关系和区别。

介绍

在过去的十年中,深度学习在许多流行的感知任务中取得了显著的成功,包括视觉对象识别、文本理解和语音识别。这些任务对应于人工智能(AI)系统的看、读、听能力,它们无疑是人工智能有效感知环境所必不可少的。然而,要建立一个实用的、全面的人工智能系统,仅仅有感知能力是远远不够的。首先,它应该具备思维能力。

一个典型的例子是医学诊断,它远远超出了简单的感知:除了看到可见的症状(或CT上的医学图像)和听到患者的描述,医生还必须寻找所有症状之间的关系,最好推断出它们的病因。只有在那之后,医生才能给病人提供医疗建议。在这个例子中,虽然视觉和听觉的能力让医生能够从病人那里获得信息,但医生的思维能力才是关键。具体来说,这里的思维能力包括识别条件依赖、因果推理、逻辑演绎、处理不确定性等,显然超出了传统深度学习方法的能力。幸运的是,另一种机器学习范式,概率图形模型(PGM),在概率或因果推理和处理不确定性方面表现出色。问题在于,PGM在感知任务上不如深度学习模型好,而感知任务通常涉及大规模和高维信号(如图像和视频)。为了解决这个问题,将深度学习和PGM统一到一个有原则的概率框架中是一个自然的选择,在本文中我们称之为贝叶斯深度学习(BDL)。 在上面的例子中,感知任务包括感知病人的症状(例如,通过看到医学图像),而推理任务包括处理条件依赖性、因果推理、逻辑推理和不确定性。通过贝叶斯深度学习中有原则的整合,将感知任务和推理任务视为一个整体,可以相互借鉴。具体来说,能够看到医学图像有助于医生的诊断和推断。另一方面,诊断和推断反过来有助于理解医学图像。假设医生可能不确定医学图像中的黑点是什么,但如果她能够推断出症状和疾病的病因,就可以帮助她更好地判断黑点是不是肿瘤。 再以推荐系统为例。一个高精度的推荐系统需要(1)深入了解条目内容(如文档和电影中的内容),(2)仔细分析用户档案/偏好,(3)正确评价用户之间的相似度。深度学习的能力有效地处理密集的高维数据,如电影内容擅长第一子任务,而PGM专攻建模条件用户之间的依赖关系,项目和评分(参见图7为例,u, v,和R是用户潜在的向量,项目潜在的向量,和评级,分别)擅长其他两个。因此,将两者统一在一个统一的概率原则框架中,可以使我们在两个世界中都得到最好的结果。这种集成还带来了额外的好处,可以优雅地处理推荐过程中的不确定性。更重要的是,我们还可以推导出具体模型的贝叶斯处理方法,从而得到更具有鲁棒性的预测。

作为第三个例子,考虑根据从摄像机接收到的实时视频流来控制一个复杂的动态系统。该问题可以转化为迭代执行两项任务:对原始图像的感知和基于动态模型的控制。处理原始图像的感知任务可以通过深度学习来处理,而控制任务通常需要更复杂的模型,如隐马尔科夫模型和卡尔曼滤波器。由控制模型选择的动作可以依次影响接收的视频流,从而完成反馈回路。为了在感知任务和控制任务之间实现有效的迭代过程,我们需要信息在它们之间来回流动。感知组件将是控制组件估计其状态的基础,而带有动态模型的控制组件将能够预测未来的轨迹(图像)。因此,贝叶斯深度学习是解决这一问题的合适选择。值得注意的是,与推荐系统的例子类似,来自原始图像的噪声和控制过程中的不确定性都可以在这样的概率框架下自然地处理。 以上例子说明了BDL作为一种统一深度学习和PGM的原则方式的主要优势:感知任务与推理任务之间的信息交换、对高维数据的条件依赖以及对不确定性的有效建模。关于不确定性,值得注意的是,当BDL应用于复杂任务时,需要考虑三种参数不确定性:

  1. 神经网络参数的不确定性
  2. 指定任务参数的不确定性
  3. 感知组件和指定任务组件之间信息交换的不确定性

通过使用分布代替点估计来表示未知参数,BDL提供了一个很有前途的框架,以统一的方式处理这三种不确定性。值得注意的是,第三种不确定性只能在BDL这样的统一框架下处理;分别训练感知部分和任务特定部分相当于假设它们之间交换信息时没有不确定性。注意,神经网络通常是过参数化的,因此在有效处理如此大的参数空间中的不确定性时提出了额外的挑战。另一方面,图形模型往往更简洁,参数空间更小,提供了更好的可解释性。

除了上述优点之外,BDL内建的隐式正则化还带来了另一个好处。通过在隐藏单元、定义神经网络的参数或指定条件依赖性的模型参数上施加先验,BDL可以在一定程度上避免过拟合,尤其是在数据不足的情况下。通常,BDL模型由两个组件组成,一个是感知组件,它是某种类型神经网络的贝叶斯公式,另一个是任务特定组件,使用PGM描述不同隐藏或观察变量之间的关系。正则化对它们都很重要。神经网络通常过度参数化,因此需要适当地正则化。正则化技术如权值衰减和丢失被证明是有效地改善神经网络的性能,他们都有贝叶斯解释。在任务特定组件方面,专家知识或先验信息作为一种正规化,可以在数据缺乏时通过施加先验来指导模型。 在将BDL应用于实际任务时,也存在一些挑战。(1)首先,设计一个具有合理时间复杂度的高效的神经网络贝叶斯公式并非易事。这一行是由[42,72,80]开创的,但是由于缺乏可伸缩性,它没有被广泛采用。幸运的是,这个方向的一些最新进展似乎为贝叶斯神经网络的实际应用提供了一些启示。(2)第二个挑战是如何确保感知组件和任务特定组件之间有效的信息交换。理想情况下,一阶和二阶信息(例如,平均值和方差)应该能够在两个组件之间来回流动。一种自然的方法是将感知组件表示为PGM,并将其与特定任务的PGM无缝连接,如[24,118,121]中所做的那样。 本综述提供了对BDL的全面概述,以及各种应用程序的具体模型。综述的其余部分组织如下:在第2节中,我们将回顾一些基本的深度学习模型。第3节介绍PGM的主要概念和技术。这两部分作为BDL的基础,下一节第4节将演示统一BDL框架的基本原理,并详细说明实现其感知组件和特定于任务的组件的各种选择。第5节回顾了应用于不同领域的BDL模型,如推荐系统、主题模型和控制,分别展示了BDL在监督学习、非监督学习和一般表示学习中的工作方式。第6部分讨论了未来的研究问题,并对全文进行了总结。

结论和未来工作

BDL致力于将PGM和NN的优点有机地整合在一个原则概率框架中。在这项综述中,我们确定了这种趋势,并回顾了最近的工作。BDL模型由感知组件和任务特定组件组成;因此,我们分别描述了过去几年开发的两个组件的不同实例,并详细讨论了不同的变体。为了学习BDL中的参数,人们提出了从块坐标下降、贝叶斯条件密度滤波、随机梯度恒温器到随机梯度变分贝叶斯等多种类型的算法。 BDL从PGM的成功和最近在深度学习方面有前景的进展中获得了灵感和人气。由于许多现实世界的任务既涉及高维信号(如图像和视频)的有效感知,又涉及随机变量的概率推理,因此BDL成为利用神经网络的感知能力和PGM的(条件和因果)推理能力的自然选择。在过去的几年中,BDL在推荐系统、主题模型、随机最优控制、计算机视觉、自然语言处理、医疗保健等各个领域都有成功的应用。在未来,我们不仅可以对现有的应用进行更深入的研究,还可以对更复杂的任务进行探索。此外,最近在高效BNN (BDL的感知组件)方面的进展也为进一步提高BDL的可扩展性奠定了基础。

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深度学习方法对各种医学诊断任务都非常有效,甚至在其中一些任务上击败了人类专家。然而,算法的黑箱特性限制了临床应用。最近的可解释性研究旨在揭示对模型决策影响最大的特征。这一领域的大多数文献综述都集中在分类学、伦理学和解释的需要上。本文综述了可解释的深度学习在不同医学成像任务中的应用。本文从一个为临床最终用户设计系统的深度学习研究者的实际立场出发,讨论了各种方法、临床部署的挑战和需要进一步研究的领域。

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摘要: 大数据时代,数据呈现维度高、数据量大和增长快等特点。如何有效利用其中蕴含的有价值信息,以实现数据的智能化处理,已成为当前理论和应用的研究热点。针对现实普遍存在的多义性对象,数据多标签被提出并被广泛应用于数据智能化组织。近年来,深度学习在数据特征提取方面呈现出高速、高精度等优异性,使基于深度学习的多标签生成得到广泛关注。文中分五大类别总结了最新研究成果,并进一步从数据、关系类型、应用场景、适应性及实验性能方面对其进行对比和分析,最后探讨了多标签生成面临的挑战和未来的研究方向。

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随着机器学习、图形处理技术和医学成像数据的迅速发展,机器学习模型在医学领域的使用也迅速增加。基于卷积神经网络(CNN)架构的快速发展加剧了这一问题,医学成像社区采用这种架构来帮助临床医生进行疾病诊断。自2012年AlexNet取得巨大成功以来,CNNs越来越多地被用于医学图像分析,以提高临床医生的工作效率。近年来,三维(3D) CNNs已被用于医学图像分析。在这篇文章中,我们追溯了3D CNN的发展历史,从它的机器学习的根源,简单的数学描述3D CNN和医学图像在输入到3D CNNs之前的预处理步骤。我们回顾了在不同医学领域,如分类、分割、检测和定位,使用三维CNNs(及其变体)进行三维医学成像分析的重要研究。最后,我们讨论了在医学成像领域使用3D CNNs的挑战(以及使用深度学习模型)和该领域可能的未来趋势。

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【导读】辞九迎零,我们迎来2020,到下一个十年。在2019年机器学习领域继续快速发展,元学习、迁移学习、小样本学习、深度学习理论等取得很多进展。在此,专知小编整理这一年这些研究热点主题的综述进展,共十篇,了解当下,方能向前。

1、A guide to deep learning in healthcare(医疗深度学习技术指南)

斯坦福&谷歌Jeff Dean最新Nature论文:医疗深度学习技术指南(29页综述)

Google 斯坦福 Nature Medicine

作者:Andre Esteva, Alexandre Robicquet, Bharath Ramsundar, Volodymyr Kuleshov, Mark DePristo, Katherine Chou, Claire Cui, Greg Corrado, Sebastian Thrun & Jeff Dean

摘要:我们介绍了医疗保健的深度学习技术,重点讨论了计算机视觉、自然语言处理、强化学习和广义方法的深度学习。我们将描述这些计算技术如何影响医学的几个关键领域,并探讨如何构建端到端系统。我们对计算机视觉的讨论主要集中在医学成像上,我们描述了自然语言处理在电子健康记录数据等领域的应用。同样,在机器人辅助手术的背景下讨论了强化学习,并综述了基因组学的广义深度学习方法。

网址:

https://www.nature.com/articles/s41591-018-0316-z

2、Multimodal Machine Learning: A Survey and Taxonomy(多模态机器学习)

人工智能顶刊TPAMI2019最新《多模态机器学习综述》

CMU TPAMI

作者:Tadas Baltrušaitis,Chaitanya Ahuja,Louis-Philippe Morency

摘要:我们对世界的体验是多模态的 - 我们看到物体,听到声音,感觉质地,闻到异味和味道。情态是指某种事物发生或经历的方式,并且当研究问题包括多种这样的形式时,研究问题被描述为多模式。为了使人工智能在理解我们周围的世界方面取得进展,它需要能够将这种多模态信号一起解释。多模态机器学习旨在构建可以处理和关联来自多种模态的信息的模型。这是一个充满活力的多学科领域,具有越来越重要的意义和非凡的潜力。本文不是关注特定的多模态应用,而是研究多模态机器学习本身的最新进展。我们超越了典型的早期和晚期融合分类,并确定了多模式机器学习所面临的更广泛的挑战,即:表示,翻译,对齐,融合和共同学习。这种新的分类法将使研究人员能够更好地了解该领域的状况,并确定未来研究的方向。

网址:

http://www.zhuanzhi.ai/paper/2236c08ef0cd1bc87cae0f14cfbb9915

https://ieeexplore.ieee.org/document/8269806

3、Few-shot Learning: A Survey(小样本学习)

《小样本学习(Few-shot learning)》最新41页综述论文,来自港科大和第四范式

香港科大 第四范式

作者:Yaqing Wang,Quanming Yao

摘要:“机器会思考吗”和“机器能做人类做的事情吗”是推动人工智能发展的任务。尽管最近的人工智能在许多数据密集型应用中取得了成功,但它仍然缺乏从有限的数据示例学习和对新任务的快速泛化的能力。为了解决这个问题,我们必须求助于机器学习,它支持人工智能的科学研究。特别地,在这种情况下,有一个机器学习问题称为小样本学习(Few-Shot Learning,FSL)。该方法利用先验知识,可以快速地推广到有限监督经验的新任务中,通过推广和类比,模拟人类从少数例子中获取知识的能力。它被视为真正人工智能,是一种减少繁重的数据收集和计算成本高昂的培训的方法,也是罕见案例学习有效方式。随着FSL研究的广泛开展,我们对其进行了全面的综述。我们首先给出了FSL的正式定义。然后指出了FSL的核心问题,将问题从“如何解决FSL”转变为“如何处理核心问题”。因此,从FSL诞生到最近发表的作品都被归为一个统一的类别,并对不同类别的优缺点进行了深入的讨论。最后,我们从问题设置、技术、应用和理论等方面展望了FSL未来可能的发展方向,希望为初学者和有经验的研究者提供一些见解。

网址:

https://www.zhuanzhi.ai/paper/c7a2464c0865b9602a4103fb44659858

4、meta Learning: A Survey(元学习)

元学习(Meta-Learning) 综述及五篇顶会论文推荐

作者:Joaquin Vanschoren

摘要:元学习,或学习学习,是一门系统地观察不同机器学习方法如何在广泛的学习任务中执行的科学,然后从这种经验或元数据中学习,以比其他方法更快的速度学习新任务。这不仅极大地加快和改进了机器学习管道或神经体系结构的设计,还允许我们用以数据驱动方式学习的新方法取代手工设计的算法。在本文中,我们将概述这一迷人且不断发展的领域的最新进展。

网址:

http://www.zhuanzhi.ai/paper/dd60eaffea966331e199fa531bae7044

5、A Comprehensive Survey on Transfer Learning(迁移学习)

中科院发布最新迁移学习综述论文,带你全面了解40种迁移学习方法

作者:Fuzhen Zhuang, Zhiyuan Qi, Keyu Duan, Dongbo Xi, Yongchun Zhu, Hengshu Zhu, Senior Member, IEEE, Hui Xiong, Senior Member, IEEE, and Qing He

摘要:迁移学习的目的是通过迁移包含在不同但相关的源域中的知识来提高目标学习者在目标域上的学习表现。这样,可以减少对大量目标域数据的依赖,以构建目标学习者。由于其广泛的应用前景,迁移学习已经成为机器学习中一个热门和有前途的领域。虽然已经有一些关于迁移学习的有价值的和令人印象深刻的综述,但这些综述介绍的方法相对孤立,缺乏迁移学习的最新进展。随着迁移学习领域的迅速扩大,对相关研究进行全面的回顾既有必要也有挑战。本文试图将已有的迁移学习研究进行梳理使其系统化,并对迁移学习的机制和策略进行全面的归纳和解读,帮助读者更好地了解当前的研究现状和思路。与以往的文章不同,本文从数据和模型的角度对40多种具有代表性的迁移学习方法进行了综述。还简要介绍了迁移学习的应用。为了展示不同迁移学习模型的性能,我们使用了20种有代表性的迁移学习模型进行实验。这些模型是在三个不同的数据集上执行的,即Amazon Reviews,Reuters-21578和Office-31。实验结果表明,在实际应用中选择合适的迁移学习模型是非常重要的。。

网址:

https://arxiv.org/abs/1911.02685

https://www.zhuanzhi.ai/paper/021fc3dc3356e0089f0e845408cc3aa4

6、Multimodal Intelligence: Representation Learning, Information Fusion, and Applications(多模态智能论文综述:表示学习,信息融合与应用) 【IEEE Fellow何晓东&邓力】多模态智能论文综述:表示学习,信息融合与应用,259篇文献带你了解AI热点技术

京东

作者:Chao Zhang,Zichao Yang,Xiaodong He,Li Deng

【摘要】自2010年以来,深度学习已经使语音识别、图像识别和自然语言处理发生了革命性的变化,每种方法在输入信号中都只涉及一种模态。然而,人工智能的许多应用涉及到多种模态。因此,研究跨多种模态的建模和学习的更困难和更复杂的问题具有广泛的意义。本文对多模态智能的模型和学习方法进行了技术综述。视觉与自然语言的结合已成为计算机视觉和自然语言处理研究的一个重要领域。本文从学习多模态表示、多模态信号在不同层次上的融合以及多模态应用三个新角度对多模态深度学习的最新研究成果进行了综合分析。在多模态表示学习中,我们回顾了嵌入的关键概念,将多模态信号统一到同一个向量空间中,从而实现了多模态信号的交叉处理。我们还回顾了许多类型的嵌入的性质,构造和学习的一般下游任务。在多模态融合方面,本文着重介绍了用于集成单模态信号表示的特殊结构。在应用方面,涵盖了当前文献中广泛关注的选定领域,包括标题生成、文本到图像生成和可视化问题回答。我们相信这项综述可促进未来多模态智能的研究。

网址:

https://arxiv.org/abs/1911.03977

https://www.zhuanzhi.ai/paper/efe8f986342d215a8179d447624801ee

7、Object Detection in 20 Years: A Survey(目标检测)

密歇根大学40页《20年目标检测综述》最新论文,带你全面了解目标检测方法

作者:Zhengxia Zou (1), Zhenwei Shi (2), Yuhong Guo (3 and 4), Jieping Ye

摘要:目标检测作为计算机视觉中最基本、最具挑战性的问题之一,近年来受到了广泛的关注。它在过去二十年的发展可以说是计算机视觉历史的缩影。如果我们把今天的目标检测看作是深度学习力量下的一种技术美学,那么让时光倒流20年,我们将见证冷兵器时代的智慧。本文从目标检测技术发展的角度,对近四分之一世纪(20世纪90年代至2019年)的400余篇论文进行了广泛的回顾。本文涵盖了许多主题,包括历史上的里程碑检测器、检测数据集、度量、检测系统的基本构建模块、加速技术以及最新的检测方法。本文还综述了行人检测、人脸检测、文本检测等重要的检测应用,并对其面临的挑战以及近年来的技术进步进行了深入分析。

网址:

https://arxiv.org/abs/1905.05055

https://www.zhuanzhi.ai/paper/4d9c0fdcc5a0a2b796e44e214fc9cb02

8、A Survey of Techniques for Constructing Chinese Knowledge Graphs and Their Applications(中文知识图谱)

作者:Tianxing Wu, Guilin Qi ,*, Cheng Li and Meng Wang

摘要:随着智能技术的不断发展,作为人工智能支柱的知识图谱以其强大的知识表示和推理能力受到了学术界和产业界的广泛关注。近年来,知识图谱在语义搜索、问答、知识管理等领域得到了广泛的应用。构建中文知识图谱的技术也在迅速发展,不同的中文知识图谱以支持不同的应用。同时,我国在知识图谱开发方面积累的经验对非英语知识图谱的开发也有很好的借鉴意义。本文旨在介绍中文知识图谱的构建技术及其应用,然后介绍了典型的中文知识图谱,此外我们介绍了构建中文知识图谱的技术细节,并介绍了了中文知识图谱的几种应用。

网址:

https://www.mdpi.com/2071-1050/10/9/3245

9、Advances and Open Problems in Federated Learning(联邦学习)

【重磅】联邦学习FL进展与开放问题万字综述论文,58位学者25家机构联合出品,105页pdf438篇文献

摘要:联邦学习(FL)是一种机器学习设置,在这种设置中,许多客户(例如移动设备或整个组织)在中央服务器(例如服务提供商)的协调下协作地训练模型,同时保持训练数据分散。FL体现了集中数据收集和最小化的原则,可以减轻由于传统的、集中的机器学习和数据科学方法所带来的许多系统隐私风险和成本。在FL研究爆炸性增长的推动下,本文讨论了近年来的进展,并提出了大量的开放问题和挑战。

网址:

https://arxiv.org/abs/1912.04977

10、Optimization for deep learning: theory and algorithms(深度学习优化理论算法)

【2019年末硬货】深度学习的最优化:理论和算法综述论文,60页pdf257篇文献

摘要:什么时候以及为什么能够成功地训练神经网络?本文概述了神经网络的优化算法和训练理论。首先,我们讨论了梯度爆炸/消失问题和更一般的不期望谱问题,然后讨论了实际的解决方案,包括仔细的初始化和归一化方法。其次,我们回顾了用于训练神经网络的一般优化方法,如SGD、自适应梯度方法和分布式方法,以及这些算法的现有理论结果。第三,我们回顾了现有的关于神经网络训练的全局问题的研究,包括局部极值的结果、模式连接、彩票假设和无限宽度分析。

网址:

https://www.zhuanzhi.ai/paper/2a5e7596942977067240c946ecd4bd47

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异常检测是一个在各个研究领域和应用领域内得到广泛研究的重要问题。本研究的目的有两个方面:首先,我们对基于深度学习的异常检测的研究方法进行了系统全面的综述。此外,我们还回顾了这些方法对不同应用领域异常的应用,并评估了它们的有效性。我们根据所采用的基本假设和方法,将最先进的研究技术分为不同的类别。在每一类中,我们概述了基本的异常检测技术,以及它的变体,并给出了关键的假设,以区分正常行为和异常行为。对于我们介绍的每一类技术,我们还介绍了它们的优点和局限性,并讨论了这些技术在实际应用领域中的计算复杂性。最后,我们概述了研究中的未决问题和采用这些技术时所面临的挑战。

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20190114-DEEP LEARNING FOR ANOMALY DETECTION A SURVEY.pdf
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题目: Understanding Deep Learning Techniques for Image Segmentation

简介: 机器学习已被大量基于深度学习的方法所淹没。各种类型的深度神经网络(例如卷积神经网络,递归网络,对抗网络,自动编码器等)有效地解决了许多具有挑战性的计算机视觉任务,例如在不受限制的环境中对对象进行检测,定位,识别和分割。尽管有很多关于对象检测或识别领域的分析研究,但相对于图像分割技术,出现了许多新的深度学习技术。本文从分析的角度探讨了图像分割的各种深度学习技术。这项工作的主要目的是提供对图像分割领域做出重大贡献的主要技术的直观理解。从一些传统的图像分割方法开始,本文进一步描述了深度学习对图像分割域的影响。此后,大多数主要的分割算法已按照专用于其独特贡献的段落进行了逻辑分类。

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Understanding Deep Learning Techniques for Image Segmentation.pdf
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