自监督学习和对比学习

zenRRan

发布于 2021-12-01 22:11:48

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这篇主要探讨SimCLR，不需要用监督学习(supervision)的方式，采用自监督(self-supervised)的方式使得模型学到很多有用的patterns。众所周知，使用对比学习(修改样本，loss等小trick)就可以显著提高模型的泛化能力，所以我们都需要掌握这项"技艺"。

Self-Supervised Learning(SSL):自监督学习是目前机器学习中一个非常流行的分支，不管监督学习已经多么精准，最终能显著提升监督模型效果的永远是更多的有标签的数据。但是真实情况是，很多任务很难有大量标注的数据。SSL目标就是从无标注数据获取标注，并用他们来训练，在NLP中，我们随机mask掉部分文本，让模型去做完型填空。在几个G的语料库上这样学习后，模型就已经学到了很多语法知识，单词语意等。

研究证明，将这一思想推广到计算机视觉没啥用。想象一下，通过前几帧预测视频中的下一帧。乍一看，这与NLP中的掩蔽非常相似，但问题是，网络可以做出无数看似合理的预测，并且无法计算每一帧的概率，因为我们处于一个超高维、连续的空间中。

Contrastive Learning: 当研究两个物体时，我们很容易区分它们，即使以前从未见过它们。例如，一只狗和一把椅子，尽管它们的颜色可能彼此相似，但会有非常明显的特征，而一对狗，尽管它们的品种差异很小，但属于同一类别，我们会认识到这一事实。换句话说，通过辨别一个物体的视觉特征，能够在它和其他事物之间形成对比。

如下图所示，可以从一个物体中提取三个属性：I）它的颜色有多暗（0表示白色，1表示黑色），II）它有多可爱（0表示一点也不可爱，1表示非常可爱），以及III）它有多“舒适”（0表示一点也不舒适，1表示非常舒适），因此椅子比椅子和狗有更高的余弦相似性。

对比学习的工作原理类似，目的是从图像中提取特征，同时努力将相似的图片（也称为正对）放在一起，而将不同的图片（也称为负对）放在很远的地方。目前对比学习已经做了大量的研究，本文从《A Simple Framework for Contrastive Learning of Visual Representations》一文中的提出的SimCLR入手，SimCLR基本可以认为是学对比学习的基石了。

SimCLR:在图像分类任务中，如果每张照片都属于一个类，最基本的就要构造正负样本对，前者是来自一个类别的实例，后者是来自两个类别的两个数据点。然而，这将破坏SSL的目的，因此我们必须设计一种解决方案，处理成堆的未标记数据。SimCLR的方法是将每个图像视为一个单独的类别，并对其进行扩充，以便为每个所谓的类生成实例。例如，与配对（需要监督）不同，下图每行都是正例，随机取两行，取yige：

正例对: (蓝色的椅子，白色的椅子)
负例对: (蓝色的椅子，狗)

有趣的是，数据增强在自我监督模型的准确性方面起着决定性的作用，即使它可能会损害监督训练。作者对各种数据增强进行了实验，并提出了三种精度最高的增强方法：

Crop, resize, flip: The picture is cropped (the area of the cropped piece is between 8% to 100% of the original size, and the aspect ratio between 3/4 and 4/3), resized back to its original dimensions, and flipped horizontally (with a 50% chance).
Colour distortion: Colour jitter (alter the brightness, contrast, saturation, and hue) with a hyperparameter to control its intensity in composition with greying out the picture, with probabilities of 80% and 20% respectively.
Gaussian blur: A Gaussian kernel 10% of the size of the picture blurs the image half the time. The standard deviation for creating the kernel is randomly picked from the range [0.1, 2.0].

代码也比较简单：

from torchvision import transforms
# Size used in SimCLR
size = 224
crop_resize_flip = transforms.Compose([transforms.RandomResizedCrop(size, scale=(0.08, 1.0), ratio=(3/4, 4/3)),
                                       transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5)])

# Higher means stronger 
s = 1.0
# 0.8*s and 0.2*s are from the paper
colour_jitter = transforms.ColorJitter(brightness=0.8*s, contrast=0.8*s, saturation=0.8*s, hue=0.2*s)
colour_jitter = transforms.RandomApply([colour_jitter], p=0.8)
colour_distortion = transforms.Compose([colour_jitter,
                                        transforms.RandomGrayscale(p=0.2)])

kernel_size = int(0.1*size)
# The size of the kernel must be odd
kernel_size = kernel_size if kernel_size%2 == 1 else kernel_size+1
gaussian_blur = transforms.GaussianBlur(kernel_size, sigma=(0.1, 2.0))
gaussian_blur = transforms.RandomApply([gaussian_blur], p=0.5)
                                       
augment = transforms.Compose([crop_resize_flip,
                              colour_distortion,
                              gaussian_blur])

这几项简单的数据增强技术如何能够提供截然不同的图像版本，从而提高SSL的性能。接下来，我们将数据输入模型，并指示它在不同的图像之间进行对比，以获得没有任何标签的有用视觉模式。

有了数据增强，就可以先随机采样一个batch，每个batch两次增强，让同一张图的不同view在latent space里靠近，不同图的view在latent space里远离，如下图所示。SimCLR使用ResNet-50(4x)作为模型，并在无监督学习后训练了一个linear classifier，最后取得了相当好的效果。