Equipping predicted segmentation with calibrated uncertainty is essential for safety-critical applications. In this work, we focus on capturing the data-inherent uncertainty (aka aleatoric uncertainty) in segmentation, typically when ambiguities exist in input images. Due to the high-dimensional output space and potential multiple modes in segmenting ambiguous images, it remains challenging to predict well-calibrated uncertainty for segmentation. To tackle this problem, we propose a novel mixture of stochastic experts (MoSE) model, where each expert network estimates a distinct mode of the aleatoric uncertainty and a gating network predicts the probabilities of an input image being segmented in those modes. This yields an efficient two-level uncertainty representation. To learn the model, we develop a Wasserstein-like loss that directly minimizes the distribution distance between the MoSE and ground truth annotations. The loss can easily integrate traditional segmentation quality measures and be efficiently optimized via constraint relaxation. We validate our method on the LIDC-IDRI dataset and a modified multimodal Cityscapes dataset. Results demonstrate that our method achieves the state-of-the-art or competitive performance on all metrics.

嵌套辍学是辍学操作的变体，能够根据训练期间的预定义重要性订购网络参数或功能。它已被探索：I。构造嵌套网络：嵌套网是神经网络，可以在测试时间（例如基于计算约束）中立即调整架构的架构。嵌套的辍学者隐含地对网络参数进行排名，生成一组子网络，从而使任何较小的子网络构成较大的子网络的基础。 ii。学习排序表示：应用于生成模型的潜在表示（例如自动编码器）对特征进行排名，从而在尺寸上执行密集表示的明确顺序。但是，在整个训练过程中，辍学率是固定为高参数的。对于嵌套网，当删除网络参数时，性能衰减在人类指定的轨迹中而不是从数据中学到的轨迹中。对于生成模型，特征的重要性被指定为恒定向量，从而限制了表示学习的灵活性。为了解决该问题，我们专注于嵌套辍学的概率对应物。我们提出了一个嵌套掉落（VND）操作，该操作以低成本绘制多维有序掩码的样品，为嵌套掉落的参数提供了有用的梯度。基于这种方法，我们设计了一个贝叶斯嵌套的神经网络，以了解参数分布的顺序知识。我们在不同的生成模型下进一步利用VND来学习有序的潜在分布。在实验中，我们表明所提出的方法在分类任务中的准确性，校准和室外检测方面优于嵌套网络。它还在数据生成任务上胜过相关的生成模型。

Jaccard索引，也称为交叉联盟（iou），是图像语义分段中最关键的评估度量之一。然而，由于学习目的既不可分解也不是可分解的，则iou得分的直接优化是非常困难的。虽然已经提出了一些算法来优化其代理，但没有提供泛化能力的保证。在本文中，我们提出了一种边缘校准方法，可以直接用作学习目标，在数据分布上改善IOO的推广，通过刚性下限为基础。本方案理论上，根据IOU分数来确保更好的分割性能。我们评估了在七个图像数据集中所提出的边缘校准方法的有效性，显示使用深度分割模型的其他学习目标的IOU分数大量改进。

尽管进行了多年的研究，但跨域的概括仍然是深层网络的语义分割的关键弱点。先前的研究取决于静态模型的假设，即训练过程完成后，模型参数在测试时间保持固定。在这项工作中，我们通过一种自适应方法来挑战这一前提，用于语义分割，将推理过程调整为每个输入样本。自我适应在两个级别上运行。首先，它采用了自我监督的损失，该损失将网络中卷积层的参数定制为输入图像。其次，在批准层中，自适应近似于整个测试数据的平均值和方差，这是不可用的。它通过在训练和从单个测试样本得出的参考分布之间进行插值来实现这一目标。为了凭经验分析我们的自适应推理策略，我们制定并遵循严格的评估协议，以解决先前工作的严重局限性。我们的广泛分析得出了一个令人惊讶的结论：使用标准训练程序，自我适应大大优于强大的基准，并在多域基准测试方面设定了新的最先进的准确性。我们的研究表明，自适应推断可以补充培训时间的既定模型正规化实践，以改善深度网络的概括到异域数据。

考虑到其协变量$ \ boldsymbol x $的连续或分类响应变量$ \ boldsymbol y $的分布是统计和机器学习中的基本问题。深度神经网络的监督学习算法在预测给定$ \ boldsymbol x $的$ \ boldsymbol y $的平均值方面取得了重大进展，但是他们经常因其准确捕捉预测的不确定性的能力而受到批评。在本文中，我们引入了分类和回归扩散（卡）模型，该模型结合了基于扩散的条件生成模型和预训练的条件估计器，以准确预测给定$ \ boldsymbol y $的分布，给定$ \ boldsymbol x $。我们证明了通过玩具示例和现实世界数据集的有条件分配预测的卡片的出色能力，实验结果表明，一般的卡在一般情况下都优于最先进的方法，包括基于贝叶斯的神经网络的方法专为不确定性估计而设计，尤其是当给定$ \ boldsymbol y $的条件分布给定的$ \ boldsymbol x $是多模式时。

现代深层神经网络在医学图像分割任务中取得了显着进展。然而，最近观察到他们倾向于产生过于自信的估计，即使在高度不确定性的情况下，导致校准差和不可靠的模型。在这项工作中，我们介绍了错误的预测（MEEP）的最大熵，分割网络的培训策略，这些网络选择性地惩罚过度自信预测，仅关注错误分类的像素。特别是，我们设计了一个正规化术语，鼓励出于错误的预测，增加了复杂场景中的网络不确定性。我们的方法对于神经结构不可知，不会提高模型复杂性，并且可以与多分割损耗功能耦合。我们在两个具有挑战性的医学图像分割任务中将拟议的策略基准：脑磁共振图像（MRI）中的白质超强度病变，心脏MRI中的心房分段。实验结果表明，具有标准分割损耗的耦合MEEP不仅可以改善模型校准，而且还导致分割质量。

我们提出了一种在数据样本集合中共同推断标签的方法，其中每个样本都包含一个观察和对标签的先验信念。通过隐式假设存在一种生成模型，可区分预测因子是后部，我们得出了一个训练目标，该目标允许在弱信念下学习。该配方统一了各种机器学习设置；弱信念可以以嘈杂或不完整的标签形式出现，由辅助输入的不同预测机制给出的可能性，或反映出有关手头问题结构的知识的常识性先验。我们证明了有关各种问题的建议算法：通过负面培训示例进行分类，从排名中学习，弱和自我监督的空中成像细分，视频框架的共段以及粗糙的监督文本分类。

语义分割在广泛的计算机视觉应用中起着基本作用，提供了全球对图像​​的理解的关键信息。然而，最先进的模型依赖于大量的注释样本，其比在诸如图像分类的任务中获得更昂贵的昂贵的样本。由于未标记的数据替代地获得更便宜，因此无监督的域适应达到了语义分割社区的广泛成功并不令人惊讶。本调查致力于总结这一令人难以置信的快速增长的领域的五年，这包含了语义细分本身的重要性，以及将分段模型适应新环境的关键需求。我们提出了最重要的语义分割方法;我们对语义分割的域适应技术提供了全面的调查;我们揭示了多域学习，域泛化，测试时间适应或无源域适应等较新的趋势;我们通过描述在语义细分研究中最广泛使用的数据集和基准测试来结束本调查。我们希望本调查将在学术界和工业中提供具有全面参考指导的研究人员，并有助于他们培养现场的新研究方向。

Recent studies have revealed that, beyond conventional accuracy, calibration should also be considered for training modern deep neural networks. To address miscalibration during learning, some methods have explored different penalty functions as part of the learning objective, alongside a standard classification loss, with a hyper-parameter controlling the relative contribution of each term. Nevertheless, these methods share two major drawbacks: 1) the scalar balancing weight is the same for all classes, hindering the ability to address different intrinsic difficulties or imbalance among classes; and 2) the balancing weight is usually fixed without an adaptive strategy, which may prevent from reaching the best compromise between accuracy and calibration, and requires hyper-parameter search for each application. We propose Class Adaptive Label Smoothing (CALS) for calibrating deep networks, which allows to learn class-wise multipliers during training, yielding a powerful alternative to common label smoothing penalties. Our method builds on a general Augmented Lagrangian approach, a well-established technique in constrained optimization, but we introduce several modifications to tailor it for large-scale, class-adaptive training. Comprehensive evaluation and multiple comparisons on a variety of benchmarks, including standard and long-tailed image classification, semantic segmentation, and text classification, demonstrate the superiority of the proposed method. The code is available at https://github.com/by-liu/CALS.

最近出现了一系列用于估计具有单个正向通行证的深神经网络中的认知不确定性的新方法，最近已成为贝叶斯神经网络的有效替代方法。在信息性表示的前提下，这些确定性不确定性方法（DUM）在检测到分布（OOD）数据的同时在推理时添加可忽略的计算成本时实现了强大的性能。但是，目前尚不清楚dums是否经过校准，可以无缝地扩展到现实世界的应用 - 这都是其实际部署的先决条件。为此，我们首先提供了DUMS的分类法，并在连续分配转移下评估其校准。然后，我们将它们扩展到语义分割。我们发现，尽管DUMS尺度到现实的视觉任务并在OOD检测方面表现良好，但当前方法的实用性受到分配变化下的校准不良而破坏的。

我们探索了深度神经网络的软磁预测的聚类，并引入了一种新型的概率聚类方法，称为k-sbetas。在聚类分布的一般环境中，现有方法着重于探索针对单纯形数据（例如KL Divergence）量身定制的失真度量，作为标准欧几里得距离的替代方法。我们提供了聚类分布的一般观点，该观点强调，基于失真的方法的统计模型可能不够描述。取而代之的是，我们优化了一个可混合变量的目标，该目标测量了每个集群中数据的一致性与引入的SBETA密度函数，其参数受到约束并与二进制分配变量共同估​​算。我们的多功能公式近似于用于建模群集数据的各种参数密度，并使能够控制群集平衡偏置。这会产生高度竞争性的性能，以在各种情况下进行有效无监督的黑盒预测调整，包括一声分类和实时的无监督域适应道路，以进行道路分割。实施可在https://github.com/fchiaroni/clustering_softmax_predictions上获得。

Jitendra Malik once said, "Supervision is the opium of the AI researcher". Most deep learning techniques heavily rely on extreme amounts of human labels to work effectively. In today's world, the rate of data creation greatly surpasses the rate of data annotation. Full reliance on human annotations is just a temporary means to solve current closed problems in AI. In reality, only a tiny fraction of data is annotated. Annotation Efficient Learning (AEL) is a study of algorithms to train models effectively with fewer annotations. To thrive in AEL environments, we need deep learning techniques that rely less on manual annotations (e.g., image, bounding-box, and per-pixel labels), but learn useful information from unlabeled data. In this thesis, we explore five different techniques for handling AEL.

In this work, we connect two distinct concepts for unsupervised domain adaptation: feature distribution alignment between domains by utilizing the task-specific decision boundary [58] and the Wasserstein metric [73]. Our proposed sliced Wasserstein discrepancy (SWD) is designed to capture the natural notion of dissimilarity between the outputs of task-specific classifiers. It provides a geometrically meaningful guidance to detect target samples that are far from the support of the source and enables efficient distribution alignment in an end-to-end trainable fashion. In the experiments, we validate the effectiveness and genericness of our method on digit and sign recognition, image classification, semantic segmentation, and object detection.

尽管深神经网络的占优势性能，但最近的作品表明它们校准不佳，导致过度自信的预测。由于培训期间的跨熵最小化，因此可以通过过度化来加剧错误烫伤，因为它促进了预测的Softmax概率来匹配单热标签分配。这产生了正确的类别的Pre-SoftMax激活，该类别明显大于剩余的激活。来自文献的最近证据表明，损失函数嵌入隐含或明确最大化的预测熵会产生最先进的校准性能。我们提供了当前最先进的校准损耗的统一约束优化视角。具体地，这些损失可以被视为在Logit距离上施加平等约束的线性惩罚（或拉格朗日）的近似值。这指出了这种潜在的平等约束的一个重要限制，其随后的梯度不断推动非信息解决方案，这可能会阻止在基于梯度的优化期间模型的辨别性能和校准之间的最佳妥协。在我们的观察之后，我们提出了一种基于不平等约束的简单灵活的泛化，这在Logit距离上强加了可控裕度。关于各种图像分类，语义分割和NLP基准的综合实验表明，我们的方法在网络校准方面对这些任务设置了新的最先进的结果，而不会影响辨别性能。代码可在https://github.com/by-liu/mbls上获得。

在最近的文献中，在最近的文献中已经过度研究了不确定性估计，通常可以被归类为炼体不确定性和认知不确定性。在当前的炼拉内不确定性估计框架中，往往忽略了炼拉线性的不确定性是数据的固有属性，只能用一个无偏见的Oracle模型正确估计。由于在大多数情况下，Oracle模型无法访问，我们提出了一个新的采样和选择策略，在火车时间近似甲骨文模型以实现炼梯不确定性估计。此外，我们在基于双头的异源型梯级不确定性估计框架中显示了一种琐碎的解决方案，并引入了新的不确定性一致性损失，以避免它。对于认知不确定性估算，我们认为条件潜在变量模型中的内部变量是模拟预测分布的另一个认识性的不确定性，并探索了关于隐藏的真实模型的有限知识。我们验证了我们对密集预测任务的观察，即伪装对象检测。我们的研究结果表明，我们的解决方案实现了准确的确定性结果和可靠的不确定性估算。

与CNN的分类，分割或对象检测相比，生成网络的目标和方法根本不同。最初，它们不是作为图像分析工具，而是生成自然看起来的图像。已经提出了对抗性训练范式来稳定生成方法，并已被证明是非常成功的 - 尽管绝不是第一次尝试。本章对生成对抗网络（GAN）的动机进行了基本介绍，并通​​过抽象基本任务和工作机制并得出了早期实用方法的困难来追溯其成功的道路。将显示进行更稳定的训练方法，也将显示出不良收敛及其原因的典型迹象。尽管本章侧重于用于图像生成和图像分析的gan，但对抗性训练范式本身并非特定于图像，并且在图像分析中也概括了任务。在将GAN与最近进入场景的进一步生成建模方法进行对比之前，将闻名图像语义分割和异常检测的架构示例。这将允许对限制的上下文化观点，但也可以对gans有好处。

There are two major types of uncertainty one can model. Aleatoric uncertainty captures noise inherent in the observations. On the other hand, epistemic uncertainty accounts for uncertainty in the model -uncertainty which can be explained away given enough data. Traditionally it has been difficult to model epistemic uncertainty in computer vision, but with new Bayesian deep learning tools this is now possible. We study the benefits of modeling epistemic vs. aleatoric uncertainty in Bayesian deep learning models for vision tasks. For this we present a Bayesian deep learning framework combining input-dependent aleatoric uncertainty together with epistemic uncertainty. We study models under the framework with per-pixel semantic segmentation and depth regression tasks. Further, our explicit uncertainty formulation leads to new loss functions for these tasks, which can be interpreted as learned attenuation. This makes the loss more robust to noisy data, also giving new state-of-the-art results on segmentation and depth regression benchmarks.

深度神经网络易于学习具有纠缠特征表示的偏置模型，这可能导致各种下游任务的子模式。对于非代表性的类尤其如此，其中数据中缺乏多样性加剧了趋势。这种限制主要是在分类任务中解决的，但对可能出现在更复杂的密集预测问题中可能出现的额外挑战几乎没有研究，包括语义分割。为此，我们提出了一种用于语义细分的模型 - 不可知论和随机培训方案，这有助于了解脱叠和解除戒律的陈述。对于每个类，我们首先从高度纠缠的特征映射中提取特定的类信息。然后，通过特征空间中的特征选择过程抑制与随机采样类相关的信息。通过随机消除每个训练迭代中的某些类信息，我们有效地减少了类之间的特征依赖性，并且该模型能够了解更多的脱叠和解散的特征表示。使用我们的方法培训的模型展示了多个语义细分基准的强烈结果，特别是代表性课程的表现尤为显着。

Wasserstein BaryCenter是一种原理的方法来表示给定的一组概率分布的加权平均值，利用由最佳运输所引起的几何形状。在这项工作中，我们提出了一种新颖的可扩展算法，以近似于旨在在机器学习中的高维应用的Wassersein重构。我们所提出的算法基于Wassersein-2距离的Kantorovich双重制定以及最近的神经网络架构，输入凸神经网络，其已知参数化凸函数。我们方法的显着特征是：i）仅需要来自边缘分布的样本; ii）与现有方法不同，它代表了具有生成模型的重心，因此可以在不查询边际分布的情况下从重心产生无限样品; III）它与一个边际案例中的生成对抗性模型类似。我们通过在多个实验中将其与最先进的方法进行比较来证明我们的算法的功效。

Diabetic Retinopathy (DR) is a leading cause of vision loss in the world, and early DR detection is necessary to prevent vision loss and support an appropriate treatment. In this work, we leverage interactive machine learning and introduce a joint learning framework, termed DRG-Net, to effectively learn both disease grading and multi-lesion segmentation. Our DRG-Net consists of two modules: (i) DRG-AI-System to classify DR Grading, localize lesion areas, and provide visual explanations; (ii) DRG-Expert-Interaction to receive feedback from user-expert and improve the DRG-AI-System. To deal with sparse data, we utilize transfer learning mechanisms to extract invariant feature representations by using Wasserstein distance and adversarial learning-based entropy minimization. Besides, we propose a novel attention strategy at both low- and high-level features to automatically select the most significant lesion information and provide explainable properties. In terms of human interaction, we further develop DRG-Net as a tool that enables expert users to correct the system's predictions, which may then be used to update the system as a whole. Moreover, thanks to the attention mechanism and loss functions constraint between lesion features and classification features, our approach can be robust given a certain level of noise in the feedback of users. We have benchmarked DRG-Net on the two largest DR datasets, i.e., IDRID and FGADR, and compared it to various state-of-the-art deep learning networks. In addition to outperforming other SOTA approaches, DRG-Net is effectively updated using user feedback, even in a weakly-supervised manner.