神經(jīng)網(wǎng)絡的成功建立在大量的干凈數(shù)據(jù)和很深的網(wǎng)絡模型基礎上。但是在現(xiàn)實場景中數(shù)據(jù)和模型往往不會特別理想，比如數(shù)據(jù)層面有誤標記的情況，像小狗被標注成狼，而且實際的業(yè)務場景講究時效性，神經(jīng)網(wǎng)絡的層數(shù)不能特別深。
騰訊優(yōu)圖不斷迭代數(shù)據(jù)和模型缺陷情況下神經(jīng)網(wǎng)絡的有效訓練方法，通過noisy label learning和collaborative learning技術，實現(xiàn)用比較淺的網(wǎng)絡解決noisy dataset問題。相關技術已經(jīng)在騰訊的眾多業(yè)務場景上(行人重識別，內(nèi)容審核等)落地。本文整理自騰訊優(yōu)圖和機器之心聯(lián)合主辦的「CVPR2020線上分享」，分享嘉賓為騰訊優(yōu)圖實驗室高級研究員Louis。
刻畫noisy label與任務目標
一般來講，noisy label是可以通過一個噪音轉(zhuǎn)移矩陣T來刻畫，也就是noise transition matrix T。人為設計一個噪音轉(zhuǎn)移矩陣T，之后如果我們知道這個數(shù)據(jù)集中 clean label的分布，將這個分布乘以T就可以得到noisy label的分布。有了noisy label分布和對應的數(shù)據(jù)集之后，就可以進行很多帶噪方法的驗證。
接下來用數(shù)學描述來刻畫一下我們帶噪學習的目標。對于一個分類任務，我們的目標可以寫成下面的形式，x和y代表樣本和對應的label, 在今天的語境下F是神經(jīng)網(wǎng)絡。我們的任務目標是在數(shù)據(jù)集下優(yōu)化一個loss function，使得在noisy label下訓練得到的解，在性能上接近在clean label下訓練得到的解，那么數(shù)學表達就是，f ?是f的一個子集。
各顯神通，主要帶噪學習方法探索
關于帶噪學習，近些年有一些重要論文。
NeurlPS 2018上的一篇論文(Generalized Cross Entropy Loss Training Deep Neural Networks with Noisy Labels)提出GCE loss(Generalized Cross Entropy loss)。它的背景是，MAE以均等分配的方式處理各個sample，而CE(cross entropy)會向識別困難的sample傾斜，因此針對noisy label，MAE比CE更加魯棒，但是CE的準確度更高，擬合也更快。于是這篇文章提出GCE loss，結(jié)合MAE與CE二者的優(yōu)勢。
還有的論文(LDMI: A Novel Information-theoretic Loss Function for Training Deep Nets Robust to Label Noise, NeurlPS 2019)是基于信息論設計的lossfunction，Deterministic information loss。它的Motivation是想尋找一個信息測度（information measure）I。假設在I下任意存在兩個分類器f、f’，如果在噪音數(shù)據(jù)集下，通過I, f比f’表現(xiàn)得更好，那么在干凈數(shù)據(jù)集下，f比f’表現(xiàn)得也好，也就是說它在噪音數(shù)據(jù)集和干凈數(shù)據(jù)集上滿足一致性。如果在噪音數(shù)據(jù)集下它表現(xiàn)得好，通過一致性，在干凈數(shù)據(jù)集下表現(xiàn)得也一定很好。
把時間往前推進一下，講一些目前正在審稿中的文章(Peer Loss Functions: Learning from Noisy Labels without Knowing Noise Rates (under review)
;Loss with Paired Samples: A Robust Learning Approach that Adapts to Label Noise (under review)，關于Peer loss。Peer loss是由兩個loss function的加權(quán)得到的，比如l1, l2。α是一個超參數(shù)，衡量兩個loss的權(quán)重大小。l1、l2可以是任何分類導向的loss function，比如CE、MSE、MAE都行。Loss的構(gòu)造主要是在于樣本的構(gòu)造上，我們看l1的樣本，Xi對應就是數(shù)據(jù)集中原始的樣本和對應的label。
為什么peer loss可以很好地解決noisy label問題?為了方便，這里先把l1、l2都定義成CE loss，那么在第一項，它表現(xiàn)的像positive learning，因為它就是一個傳統(tǒng)的CE function，而在第二項，它像 negative learning，也就是在標記錯的時候，比如把狗標成汽車，如果用positive learning進行學習的話那就出現(xiàn)問題了，它是隨機從一個label中進行抽取，希望讓模型學到它不是一個鳥，狗不是一個鳥，它的語義關系首先是成立的，是正確的，這樣一來，第二項對模型也能起到一個積極的導向作用。
更加有意思的是，單獨訓練第一項和單獨訓練第二項都不可能使模型達到理論上的最優(yōu)，因為模型存在noisy label。但是我們證明了它們兩項聯(lián)合訓練，在統(tǒng)計上是可以讓模型達到最優(yōu)。
文章提出了一個主要定理，就是noise魯棒性，我們證明了存在一個最優(yōu)的超參數(shù)α，用peer loss在noisy label下進行優(yōu)化，它得出的神經(jīng)網(wǎng)絡的解等價于用l1在clean label下進行優(yōu)化，可以把l1理解成CEloss。所以我們理論證明了peer loss的最優(yōu)性。
看一下peer loss在數(shù)值方面的結(jié)果，這里使用的數(shù)據(jù)集是CIFAR-10，存在著40%的uniform noise，就是symmetric noise。圖中的藍色代表clean label分布，橘黃色代表noisy label分布。通過peer loss優(yōu)化后，我們畫一下clean label和noisy label的分布，可以看到我們的網(wǎng)絡把這兩個完全分開了，證明peer loss是非常有效的。
接下來，在各個數(shù)據(jù)集上衡量peer loss的表現(xiàn)，我們在MNIST、Fashion MNIST、CIFAR-10上進行了實驗，可以看到MNIST和Fashion MNIST上，用peer loss優(yōu)化的結(jié)果超過了一些其他的結(jié)果，包括DMI的結(jié)果三四十個點，這是非常大的進步。在CIFAR-10上也超過將近5個點，四個多點左右這樣的一個結(jié)果。而且，我們發(fā)現(xiàn)peer loss尤其對Sparse,High這種noise type表現(xiàn)得特別明顯。
以上講的方法主要是設計lossfunction的思路，讓網(wǎng)絡能夠抵抗noisy label。但其實還有很多其他方法，比如samples selection和label correction，這兩個方法是通過選擇樣本和對樣本進行糾正來進行帶噪學習訓練。發(fā)表在NeurlPS 2018上的這篇論文(Co-teaching: Robust Training of Deep Neural Networks with Extremely Noisy Labels)就是關于Co-teaching的。它的基本假設是認為noisy label的loss要比clean label的要大，于是它并行地訓練了兩個神經(jīng)網(wǎng)絡A和B，在每一個Mini-batch訓練的過程中，每一個神經(jīng)網(wǎng)絡把它認為loss比較小的樣本，送給它其另外一個網(wǎng)絡，這樣不斷進行迭代訓練。
接下來介紹騰訊優(yōu)圖在2019年底發(fā)表的一篇文章（Asymmetric Co-Teaching for Unsupervised Cross-Domain Person Re-Identification），解決一類特殊的label noise。這類label noise不是人為標注產(chǎn)生的，而是在訓練中產(chǎn)生，在模型的聚類過程中產(chǎn)生的。比如說有這樣一批沒有標記的樣本，然后通過一個聚類算法得到inliers和outliers，outliers是聚類算法中認為這一點是孤立點或者是噪音點，它沒法歸到聚類算法的ID里面，就叫做outliers，inliers是聚類算法對這些樣本進行聚類后得到一個個cluster，但每一個cluster里面可能存在noise。
騰訊優(yōu)圖提出了一個框架，叫Asymmetric Co-teaching。因為聚類中存在inlier和outliers，這兩個不同源，所以用非對稱的思想去解決noiselabel的問題。
具體來說，首先有很多 Target Data，經(jīng)過模型聚類得到Inliers和Outliers。然后通過k近鄰將outliers進行l(wèi)abel。下面一步是比較關鍵的，和Co-teaching一樣，我們也并行訓練兩個神經(jīng)網(wǎng)絡C和M，但是我們往C和M送到的樣本是非同源的，一個inlier一個outliers。然后C和M互相發(fā)送他們認為loss比較小的樣本進行迭代訓練。每次訓練之后，再進行聚類。不斷重復這種迭代過程，最后我們發(fā)現(xiàn)outliers越來越少，Inlier也是越來越多，Inlier每個ID的noise也是越來越少。
Asymmetric Co-teaching的結(jié)果不錯，我們主要是在行人重識別這個問題上衡量方法的有效性，也就是ReID?？梢钥次覀冞@個clustering-based的方法在Market和Duke數(shù)據(jù)集中有不錯的表現(xiàn)，比之前的一些方法也多了五六個點。
總結(jié)一下，關于noise label前面主要介紹了七個方法，這些方法可以歸為Feature independent noise和Feature dependent noise。值得注意的是，并不是一個方法去解決Feature independent noise就無法解決Feature dependent noise，只是說一個方法它更適用于解決哪個問題。標線框的這兩個是我們騰訊優(yōu)圖的工作。
我的介紹非常有限，如果你感興趣希望讀更多的研究，可以訪問這個網(wǎng)址，里面有更多關于noisy label learining的文章：
激活無效濾波器，提升神經(jīng)網(wǎng)絡性能
關于協(xié)作學習其實學術界沒有統(tǒng)一的定義，一般來講只要是多個模型互相協(xié)作，去解決一個或者多個任務，那就可以把這種學習范式叫做協(xié)作學習。
按照任務分，協(xié)作學習可以分成兩個：一個是解決多個任務，有dual learning和cooperative learning；一個是多個模型一起協(xié)作解決一個任務。因為dual learning和cooperative learning主要是解決自然語言處理的問題，自然語言處理涉及到比如說中文翻譯成英文，英文翻譯成中文，這是一個兩個任務，是多個任務。我們這里主要是講CV方面，所以說我們主要講解決一個任務，接下來會介紹co-training、deep mutual learning、filter grafting和DGD這幾個工作。
關于 Co-training的這篇文章Combining labeled and unlabeled data with co-training，非常古老，是1998年的，但是它的引用量已經(jīng)好幾千，它其實是解決了半監(jiān)督的問題。
發(fā)表在CVPR 2018年的一篇論文deep mutual learning。它的思想極其簡單，我們都知道蒸餾的時候teacher是fixed，然后對于學生進行監(jiān)督，這篇文章的思想就是在蒸餾的過程中老師并不保持fixed，也進行迭代的訓練操作，也就是說老師教學生，學生也教老師。
時間再拉近一點，這是今年騰訊優(yōu)圖中稿CVPR 2020年的一篇文章(Filter Grafting for Deep Neural Networks)。這篇文章的motivation是什么呢?我們知道訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡存在很多無效的filter， filterpruning技術主要對無效的濾波器進行移除使網(wǎng)絡的推理速度增加。
與pruning相反，在這篇文章中，我們提出濾波器嫁接（filter grafting）技術。我們并不是移除網(wǎng)絡的無效濾波器，而是將其他網(wǎng)絡的有效濾波器的參數(shù)嫁接到無效濾波器上，通過引入外部信息的方法來激活無效濾波器，讓它們重新變得有價值起來，來進一步提高網(wǎng)絡的表達能力。
這篇文章有一個非常重要的發(fā)現(xiàn)是什么呢?我們訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡如果在初始化的時候不一樣，在訓練完之后，無效filter的位置是統(tǒng)計無關的。整個我們可以并行訓練多個網(wǎng)絡，多個網(wǎng)絡之間互相進行這種操作，結(jié)束訓練之后每個神經(jīng)網(wǎng)絡都會有更好的特征表達，而且測試的時候準確率性能也會更好。
可以看一下這個結(jié)果，對于在CIFAR-10、CIFAR-100上進行的實驗，與mutual learning、傳統(tǒng)的distillation、還有RePr相比較，F(xiàn)ilter Grafting效果還是不錯的，對于一些大網(wǎng)絡，特別是對于CIFAR-100有兩個點的提升。
Grafting是可以有效提高無效filter，但是可能有效filter的信息量會減少。這篇還在審稿中的文章DGD: Densifying the Knowledge of Neural Networks with Filter Grafting and Knowledge Distillation是關于我們的新發(fā)現(xiàn)，就是傳統(tǒng)的蒸餾可以解決這個問題，這是這篇文章的貢獻。
我們在做grafting加權(quán)的時候，比如說M1和M2進行加權(quán)，M1的layer1加到M2的layer1上面，雖然填補了M2中無效filter的空虛，但是M2有效filter可能也會受到影響。因為M1它本身也有無效filter，它直接加到M2上，M2的有效filter的信息量可能會減少，所以說我們就做了這樣一個DGD framework。
看一下DGD framework的結(jié)果。我們對比了傳統(tǒng)的filter grafting，還有knowledge distillation，發(fā)現(xiàn)比grafting distillation都有不錯的提升，比如在CIFAR-100上，各個網(wǎng)絡基本都會比baseline提升兩到三個點。
待解難題：如何進行更有效的濾波器嫁接
前面講的是noise label learning和collaborative leaning，那么基于這兩個可以做什么呢?
第一個是設計一些feature dependent noise的loss形式。 因為我認為現(xiàn)在對于noisy label learning領域，feature independent noise可能解決得差不多了，準確率都很高了，接下來一個主要的點就是設計一些loss方式來解決feature dependent問題。而且，這個問題是真實的業(yè)務場景、真實的數(shù)據(jù)集上的noise type形式。
第二個是，我們知道grafting的motivation是來自于pruning，那么我們是否可以用grafting的一些思想去指導神經(jīng)網(wǎng)絡來進行更有效的pruning，這是一些未來大家有興趣可以探索的一個點。
Q&A
Q:主動學習和noisy label learning都涉及到選擇數(shù)據(jù)，兩者的區(qū)別是什么？
A:的確兩者都涉及選擇數(shù)據(jù)，但是關鍵在于要選擇什么樣的數(shù)據(jù)，選擇數(shù)據(jù)的評價標準可能不太一樣。noisy label learning想選擇干凈的數(shù)據(jù)，而主動學習是想選擇對解決的問題有效的數(shù)據(jù)。
這些選擇方式和數(shù)據(jù)的分布息息相關的，也就是說我們講各種算法的同時要了解數(shù)據(jù)的分布，拋開數(shù)據(jù)的分布去研究算法有時候是沒有任何價值的。對于主動學習來講，在數(shù)據(jù)集的分布不均勻的時候，要選擇loss比較大的樣本，這和noisy label learning有點相反，noisy label learning是要選擇loss比較小的樣本。
Q: noisy label對自動標注數(shù)據(jù)有用嗎？
A：這個是有用的，包括現(xiàn)在一些業(yè)務場景，我們用一些方法篩選出來哪些數(shù)據(jù)是值得標的，或者說我們通過noisy label的一些方法將noisy label的樣本先檢測出來，之后再進行有效的中心標注，所以noisy label對自動標注數(shù)據(jù)還是有業(yè)務價值的。
Q：grafting對于小型network的效果如何？
A：其實我們在做很多實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，grafting對小型網(wǎng)絡的提升是沒有對于大型網(wǎng)絡的提升高。因為無效filter的數(shù)量很可能出現(xiàn)在大型網(wǎng)絡上的比較多，小型網(wǎng)絡無效filter的數(shù)量比較少，我們的實驗結(jié)果可以看到grafting是在大的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡上效果是比較明顯的。
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