數(shù)據(jù)太少怎么辦？試試自監(jiān)督學(xué)習(xí)，CV訓(xùn)練新利器
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數(shù)據(jù)少，又沒有預(yù)訓(xùn)練模型，怎么破？
給你個(gè)秘密武器——自監(jiān)督學(xué)習(xí)。
數(shù)據(jù)科學(xué)家 Jeremy Howard 發(fā)布一條Twitter：
在醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域，我們經(jīng)常需要靠一點(diǎn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來做很多工作。
在這個(gè)問題上，有一種被低估的方法，正是自監(jiān)督學(xué)習(xí)，簡直太神奇！
還附上了與之相關(guān)的最新fast.ai教程。
△地址：https://www.fast.ai/2020/01/13/self_supervised/
這一推文立即引起了大量網(wǎng)友的關(guān)注，可謂是好評如潮。
這是篇了不起的文章，太酷了！
這是一種簡單且強(qiáng)大的技術(shù)。
接下來，讓我們一起看下，自監(jiān)督學(xué)習(xí)到底有多厲害。
自監(jiān)督學(xué)習(xí)簡介
在多數(shù)情況下，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)該從一個(gè)預(yù)訓(xùn)練(pre-trained)模型開始，然后再對它進(jìn)行微調(diào)。
通過預(yù)訓(xùn)練模型，可以比從頭開始訓(xùn)練，節(jié)省1000倍的數(shù)據(jù)。
那么試想一下，你所在的領(lǐng)域中，要是沒有預(yù)訓(xùn)練模型，該怎么辦？
例如在醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域，就很少有預(yù)先訓(xùn)練過的模型。
而最近有一篇比較有意思的論文，就對這方面問題做了研究。
△論文地址：https://arxiv.org/pdf/1902.07208.pdf
研究發(fā)現(xiàn)，即便使用ImageNet模型(預(yù)訓(xùn)練過的)中的前幾層(early layers)，也可以提高醫(yī)學(xué)成像模型的訓(xùn)練速度和最終準(zhǔn)確性。
所以說，即便某個(gè)通用預(yù)訓(xùn)練模型，不在你的研究領(lǐng)域范圍內(nèi)，也可以嘗試使用它。
然而，這項(xiàng)研究也指出了一個(gè)問題：
其改進(jìn)程度并不大。
那有沒有不需要大量數(shù)據(jù)，還能取得較好效果的技術(shù)呢？
自監(jiān)督學(xué)習(xí)就是一個(gè)秘密武器。
它可以被看作是機(jī)器學(xué)習(xí)的一種“理想狀態(tài)”，模型直接從無標(biāo)簽數(shù)據(jù)中自行學(xué)習(xí)，無需標(biāo)注數(shù)據(jù)。
舉個(gè)例子，ULMFiT(一種NLP訓(xùn)練方法)的關(guān)鍵就是自監(jiān)督學(xué)習(xí)，極大的提高了NLP領(lǐng)域的技術(shù)水平。
△論文地址：https://arxiv.org/abs/1801.06146
在基于自監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法，首先訓(xùn)練了一個(gè)語言模型，可以預(yù)測某句話的下一個(gè)單詞。
而當(dāng)把這個(gè)預(yù)訓(xùn)練好的模型，用在另一個(gè)任務(wù)中時(shí)(例如情緒分析)，就可以用少量的數(shù)據(jù)，得到最新的結(jié)果。
計(jì)算機(jī)視覺中的自監(jiān)督學(xué)習(xí)
在自監(jiān)督學(xué)習(xí)中，用于預(yù)訓(xùn)練的任務(wù)被稱為pretext task(前置/代理任務(wù))。
然后用于微調(diào)的任務(wù)被稱為downstream task(下游任務(wù))。
盡管目前在NLP領(lǐng)域中，自監(jiān)督學(xué)習(xí)的應(yīng)用還算普遍，但是在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中，它卻很少使用。
也許是因?yàn)橹T如ImageNet這樣的預(yù)訓(xùn)練模型比較成功，所以像醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中的研究人員，可能不太熟悉自監(jiān)督學(xué)習(xí)的必要性。
接下來的內(nèi)容便展示了CV領(lǐng)域中應(yīng)用自監(jiān)督學(xué)習(xí)的論文例子。
希望越來越多的人可以重視這一關(guān)鍵技術(shù)。
圖像著色(Colorization)
Colorful Image Colorization
△論文地址：https://arxiv.org/abs/1603.08511
Learning Representations for Automatic Colorization
△論文地址：https://arxiv.org/pdf/1603.06668
Tracking Emerges by Colorizing Videos
△https://arxiv.org/pdf/1806.09594
效果展示
將圖像patch放在正確位置
Unsupervised Learning of Visual Representations by Solving Jigsaw Puzzles
△論文地址：https://arxiv.org/pdf/1603.09246
Unsupervised Visual Representation Learning by Context Prediction
△論文地址：https://arxiv.org/pdf/1505.05192
效果展示
按照正確的順序放置幀
Unsupervised Representation Learning by Sorting Sequences
△論文地址：https://arxiv.org/pdf/1708.01246
Shuffle and Learn: Unsupervised Learning using Temporal Order Verification
△論文地址：https://arxiv.org/pdf/1603.08561
效果展示
圖像修復(fù)(Inpainting)
Context Encoders: Feature Learning by Inpainting
△論文地址：https://arxiv.org/pdf/1604.07379
效果展示
分類損壞的圖像
Self-Supervised Feature Learning by Learning to Spot Artifacts
△論文地址：https://zpascal.net/cvpr2018/Jenni_Self-Supervised_Feature_Learning_CVPR_2018_paper.pdf
效果展示
選擇一個(gè)pretext task
為了在計(jì)算機(jī)視覺中使用自監(jiān)督學(xué)習(xí)，需要回答一個(gè)非常重要的問題：
應(yīng)該使用哪種pretext task？
很多人選擇將“自動(dòng)編碼器”作為pretext task。
自動(dòng)編碼器將輸入圖像轉(zhuǎn)換為一種簡化的形式，然后將其再轉(zhuǎn)換回盡可能接近原始圖像的內(nèi)容。
然而，我們不僅需要再生原始圖像內(nèi)容，還需要再生原始圖像中的所有噪聲。
因此，如果要在下游任務(wù)中生成更高質(zhì)量的圖像，那么這將是一個(gè)不好的選擇。
此外，還需要確保pretext task是人類可以做的事情。
例如，預(yù)測視頻的下一幀，如果預(yù)測時(shí)間點(diǎn)過于遙遠(yuǎn)，那也是不太可行的。
為下游任務(wù)進(jìn)行微調(diào)
一旦用pretext task預(yù)訓(xùn)練了模型，就可以繼續(xù)進(jìn)行微調(diào)。
在這一點(diǎn)上，應(yīng)該把這個(gè)問題視為一種遷移學(xué)習(xí)，不要太多的改變預(yù)訓(xùn)練模型的權(quán)重。
總體而言，Jeremy Howard不建議浪費(fèi)太多時(shí)間來創(chuàng)建“完美”的pretext模型，而要構(gòu)建盡可能快速且容易的模型。
然后，需要確保這個(gè)pretext模型是否可以滿足下游任務(wù)。
并且，事實(shí)證明，通常不需要非常復(fù)雜的pretext 任務(wù)，就可以在下游任務(wù)中取得較好的結(jié)果。
Yann LeCun更好的方法建議
Jeremy Howard在發(fā)出這條Twitter之后，深度學(xué)習(xí)三巨頭之一的Yann LeCun對其回復(fù)。
Yann LeCun提出了更好的建議：
現(xiàn)在，學(xué)習(xí)視覺特征最佳SSL方法是使用孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Siamese network)來學(xué)習(xí)嵌入。
相關(guān)研究包括：
Self-Supervised Learning of Pretext-Invariant Representations
△論文地址：https://arxiv.org/pdf/1912.01991
Jeremy Howard對LeCun回復(fù)道：
將PiRL添加到任意pretext task中是非常好的一件事情。
Jeremy Howard
△Jeremy Howard
Jeremy Howard，澳大利亞數(shù)據(jù)科學(xué)家和企業(yè)家。fast.ai創(chuàng)始研究人員之一，fast.ai是一家致力于使深度學(xué)習(xí)更易用的研究所。
在此之前，他曾是Enlitic（位于舊金山的高級機(jī)器學(xué)習(xí)公司）的首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人。
