论文阅读笔记《Billion-scale semi-supervised learning for image classification》

FaceBook的又一篇炼丹论文

Posted by tianchen on October 12, 2019

Billion-scale semi-supervised learning for image classification

  • FaceBook AI Research

Abstract

  • 提出了一种Workflow,从大量的Unlabeled的数据当中训练,采用了一个TCH&STU架构,提高了Image Classification的准确率
  • 超级大量的Unlabel数据以及少量的Task-Specific带标注的数据
  • Flow
    • 首先利用现有的带label数据首先获得一个Teacher Model
    • 利用训练好的TCH Model去给未标注的数据排序,获得一系列新的training data
    • 用这些数据去训练新的STU(一般比原先的网络小)
    • 最后用一开始的带Label的Data去finetune student network
  • 可以避免class imbalance中的long-tail distribution问题
    • 作者的解释是:在原本的数据集中可能存在class imbalance,但是我们在构建新的Trainin Set的时候对所有Class取一样的Sample数,在大规模的unlabel data中会有一定数目的在原本数据集中比较少的类别对象
      • 可以调高Tail类(样本量少)的Recall率
      • 从一定程度上其实是大的数据集补充了原先lebeled set当中的tail class的样本数目,从low shot变成了正常情况
  • 对一下几个Element Sensitive
    • Scale & Nature Of Unlabelled Data
    • TCh和STU网络的关系
    • 一开始Tch Model的准确度
  • 整个流程可以理解为一种很Advanced的Finetune
  • 获得的精度能够明显超过SOTA
  • Flow:
    • 注意没有把新老的Training Set去Mix起来
      • 作者解释说那样的话会需要确定一个Mix的因数,所以直接就没有这样
    • 作者提到这里用KD效果会不好(因为我们要让student比teacher的效果好,所以就不能一味地模仿teacher)
  • 一些Requirement
    • A Good Teacher Model Is Required 需要用它来从新的Wild Data当中获得Label
    • Student Model最后需要拿原先的数据来再Finetune
      • 这意味着需要接入原先比如ImageNet的数据?需要解决
      • 对于NN的训练来说,每一个Mini-Batch的训练过程是否是独立?

Experiments

  • Models
    • Res18-Res50-ResNeXt101(很多不同宽度)
  • 学生的Performance会明显超过老师
    • 这很合理因为它exposed to更多的数据
  • 最后的Finetune过程非常关键
  • 能获得比传统学习方式高的水平
  • 作者另外还针对Self-Training进行了一个测试
    • 是否表示需要比较大的网络比较有提升的潜质(Res18就提升不上去了)
    • 作者表示Self-Training比较Risky,但是文章表明在最后加上利用GT数据的Finetune能够显著地提升效果
  • 对不同的Teacher架构,Student的表现(Stu都为res50)
  • 随着构建的新数据集大小越大,开始Performance有一个线性增长,后来趋缓
  • Performance随着Training Epoch数的增多而改变
  • Performance随着K值的变化
    • 不同的结构对应最大值的K值不一样
    • 这里有一个最大值的原因是K越大,选进来的数据可能错误的越多(而更大的Teacher识别能力越强,能够兼容的K值越大)
  • 分析了如果DataSet设计
    • 作者认为Rank这一步起到了比较关键的作用
    • unbalanced会掉精度
  • 可以与Weakly Supervised方法结合,进一步提高
    • weak-supervised是另外一篇文章里提出的Pretrain方法,经过这种方式pretrain也可以提点
      • 就是从Social Media图片利用HashTag作为Weak Label先训一个网络,看做Feature Extractor
      • 实际操作起来比较困难…说明了和这篇文章的效果可以叠加
  • 前人的文章说明了图像的背景的task-related语义信息(文中叫meta-information)能提升performance(有点玄乎了啊就)
    • 作者管这种方式叫weak-semi-supervision,然后好像意思说这种方式可以和当前方式并行,并且没有当前方式好
    • 可以认为文中的排序选择的方式,强行给新的数据集做了Denoise和Class Balance,所以才能更好…
  • Transfer Learning测试
  • 对参数的分析
    • K - Image Selected per Class
      • 16k/8k/4k分别对应100M,50M,25M
      • K值变大之后错误率会增加(显然)
    • P - being a parameter accounting for the fact that we expect only a few number of relevant classes to occur in each image
      • 一张图片最多能够被识别为P类
      • 选取P>1以在数据量不是很大的时候获得足够的Label
      • 实验中一般取P=10,能够获得一个几乎balanced Set

Fracs

  • Thinkin About Finetune: 当样本量不足以训练好一个网络的时候,用pre-train作为基础(防止网络去处理一些很复杂的特征提取之类的Dirty活)
    • 打个比方,刷BOSS赚钱的过程被替代了
    • 但是如果两个数据集的本质差距有点大的话就不太好做(比如当年做的雷达图像)
    • 冻结某些层去训练和finetune的本质无关 我也不太清楚为啥有人会这么想
  • 而且这个和Incremental一个很大的区别就是,输入数据不是Streaming的,是否需要保证把这些数据都记录下来?
    • ❓一般的在线训练做的是什么?
    • 关键是这个东西所需要新的Set实在是大……需要超级多的存储,如果都存的话不大可能
  • 如果我们已经有了一个好的模型,为何还要在线训练?
    1. 证明可以提高准确度
    2. 可以利用新的Wild Data,Wild Data 可能和训练集当中有一定的差距,会更加贴近现实情况
      • 但是这种方法不能处理新的对象(也就是第一个训练集当中完全没有出现过的东西)
      • 一定程度上也是Transfer Learning(TL中有一个Example是DomainA是单纯的对象,第二个是在不同姿态下以及不同背景以及光照条件下的对象)
    3. 如果有Feedback的Label提供也可以反馈回来
      • 比如可以有外部进入的Label也可以汇集到那个Set里面
    4. 可以用来进行一定程度的压缩(如果实际中我们需要辨识的类别小的话)
      • 其实实际场景比训练集更容易存在Class Imbalance这样的问题s
    5. 其实是可以联系Mutual Learning
    6. 原文中使用的数据集通过在重构第二个数据集的时候对每一类都固定只选K个样本构造一个不再Imbalance的数据集
      • 但是实际上的情况会更加Imbalance,是否是等到满足条件才开始训练?
  • 效果和直接finetune好在哪里?
    1. 解决直接训会崩的问题,有保底…
  • Transfer Learning
    • 一样是用来处理Not Enough Label的问题
    • Reuse The Net去解决一个不同领域的问题
    • Example:low-shot learning
    • TL可以被认为是在Evaluate Unsupervised Learning
  • Semi-Supervised Learning
    • 使用额外的未标注数据来提升监督学习的效果(和本文的主旨非常一致)
    • 参考文献[11]-Few-Shot [35]-Transuctive 的做法
  • Distillation
    • 一开始是用来压缩的
    • 可以认为是一种Self-Training
  • Data-Augmentation
    • 本文的做法也可以看做是一种特殊的Data Augumentation