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前言在自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練中，是否數(shù)據(jù)越多越好？數(shù)據(jù)增廣是否始終有效？

作者：諾亞方舟實(shí)驗(yàn)室

來源：PaperWeekly

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大型語言模型如 ChatGPT 的成功彰顯了海量數(shù)據(jù)在捕捉語言模式和知識方面的巨大潛力，這也推動了基于大量數(shù)據(jù)的視覺模型研究。在計(jì)算視覺領(lǐng)域，標(biāo)注數(shù)據(jù)通常難以獲取，自監(jiān)督學(xué)習(xí)成為預(yù)訓(xùn)練的主流方法。然而，在自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練中，是否數(shù)據(jù)越多越好？數(shù)據(jù)增廣是否始終有效？華為諾亞方舟實(shí)驗(yàn)室與香港科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)近期發(fā)現(xiàn)：

主流自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練方法如 Masked Autoencoder (MAE) 存在負(fù)遷移現(xiàn)象，即在預(yù)訓(xùn)練過程中包含無關(guān)數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致下游任務(wù)性能下降。

面向 MAE 的有效數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略仍有待探討。區(qū)別于對比學(xué)習(xí)高度依賴數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略，在 MAE 中采用數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略，如簡單的圖像混合，可能會導(dǎo)致互信息 (MI) 的增加而降低模型性能。

為解開這些數(shù)據(jù)之謎，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新穎的預(yù)訓(xùn)練范式——Mixture of Cluster-conditional Experts (MoCE)。借鑒 Mixture-of-Experts (MoE) 的概念，MoCE 可以通過一次預(yù)訓(xùn)練，為不同下游任務(wù)提供定制化模型。在多個下游任務(wù)中，包括圖像分類、目標(biāo)檢測和分割等，MoCE 超越了傳統(tǒng)的 MAE 預(yù)訓(xùn)練方法。該研究成果已被 ICLR 2023 會議接收為 Spotlight 論文。

論文標(biāo)題：

Task-customized Masked Autoencoder via Mixture of Cluster-conditional Experts

論文鏈接：

https://openreview.net/forum?id=j8IiQUM33s

此外，團(tuán)隊(duì)還提出了一種名為混合自編碼器 (MixedAE) 的簡單而有效的方法，將圖像混合應(yīng)用于 MAE 數(shù)據(jù)增強(qiáng)。MixedAE 在各種下游任務(wù)（包括圖像分類、語義分割和目標(biāo)檢測）上實(shí)現(xiàn)了最先進(jìn)的遷移性能，同時(shí)保持了顯著的效率。這是第一個從任務(wù)設(shè)計(jì)的角度將圖像混合作為有效數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略應(yīng)用于基于純自編碼器結(jié)構(gòu)的 Masked Image Modeling (MIM) 的研究。該工作已被 CVPR 2023 會議接收。

論文標(biāo)題：

Mixed Autoencoder for Self-supervised Visual Representation Learning

論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/2303.17152

研究背景

在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，預(yù)訓(xùn)練模型已經(jīng)成為一種流行的方法，可以提高各種下游任務(wù)的性能。然而，研究發(fā)現(xiàn)，自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練存在的負(fù)遷移現(xiàn)象。諾亞 AI 基礎(chǔ)理論團(tuán)隊(duì)的前期工作 SDR (AAAI 2022) [1] 首次指出自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練的負(fù)遷移問題，并提供初步解決方案。

具體來說，負(fù)遷移是指在預(yù)訓(xùn)練過程中使用的數(shù)據(jù)與下游任務(wù)的數(shù)據(jù)分布不同，導(dǎo)致預(yù)訓(xùn)練模型在下游任務(wù)上的性能下降。在自監(jiān)督學(xué)習(xí)中，模型在無標(biāo)簽數(shù)據(jù)上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的潛在特征和表示。然而，當(dāng)預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)與下游任務(wù)的數(shù)據(jù)分布存在顯著差異時(shí)，模型可能學(xué)到與下游任務(wù)無關(guān)或甚至有害的特征。

相關(guān)工作

1. 自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練的負(fù)遷移現(xiàn)象

▲ 圖一：我們用ImageNet的兩個子集，Split-A和Split-B，訓(xùn)練兩個MAE模型，和全量數(shù)據(jù)集訓(xùn)練的模型相比較，后者僅在2個數(shù)據(jù)集上達(dá)到了最優(yōu)。這說明，增大數(shù)據(jù)量并不總是帶來更強(qiáng)的遷移效果。

以目前較為流行的自監(jiān)督學(xué)習(xí)算法 MAE 為例，我們評估了使用不同語義數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練的 MAE 模型在遷移性能上的表現(xiàn)。我們將 ImageNet 數(shù)據(jù)集分為兩個不相交的子集 Split-A 和 Split-B，根據(jù) WordNet 樹中標(biāo)簽的語義差異進(jìn)行劃分。Split-A 主要包含無生命物體（如汽車和飛機(jī)），而 Split-B 則主要涉及有機(jī)體（如植物和動物）。

接著，我們在 Split-A、Split-B 和完整的 ImageNet 數(shù)據(jù)集上分別進(jìn)行了 MAE 預(yù)訓(xùn)練，并在 11 個下游任務(wù)上評估了這三個模型的性能。如圖一所示，在僅含 2 個語義豐富數(shù)據(jù)集（Caltech，VOC）的情況下，基于完整 ImageNet 訓(xùn)練的 MAE 獲得了最佳的遷移效果；在非生物下游數(shù)據(jù)集 (Aircraft，Cars，SUN，DTD) 上，Split-A 的表現(xiàn)更佳；而在包含 Flowers，F(xiàn)ood，Pets，CIFAR10，CIFAR100 等數(shù)據(jù)集上，Split-B 的表現(xiàn)更優(yōu)。

這表明，當(dāng)下游任務(wù)與預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)分布不同時(shí)，與任務(wù)無關(guān)的預(yù)訓(xùn)練信息可能導(dǎo)致負(fù)遷移，從而限制了 MAE 模型的可擴(kuò)展性。換言之，若一個 MAE 模型的預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)去除了與下游任務(wù)數(shù)據(jù)集相似度較低的部分，則其性能可能優(yōu)于包含這些無關(guān)數(shù)據(jù)的預(yù)訓(xùn)練模型。這突顯了開發(fā)針對特定下游任務(wù)的定制化預(yù)訓(xùn)練方法以避免負(fù)遷移現(xiàn)象的重要性。

2. 自監(jiān)督數(shù)據(jù)增強(qiáng)難題

在自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練中，與依賴數(shù)據(jù)增強(qiáng)的對比學(xué)習(xí)不同，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)增強(qiáng)手段可能會削弱 MAE 的模型性能。以圖像混合增強(qiáng)（Image Mixing）為例，設(shè)隨機(jī)變量 X1 和 X2 表示兩個輸入圖像，M 表示隨機(jī)生成的掩碼，我們可以證明混合輸入 σmix({X1,X2},M) 與重構(gòu)目標(biāo) X1 之間的互信息 (MI) 不小于 MAE 輸入 σmae(X1,M) 與 X1 之間的互信息（詳見論文附錄）。

因此，簡單的圖像混合增強(qiáng)會提升模型輸入與重構(gòu)目標(biāo)之間的互信息。盡管這對監(jiān)督學(xué)習(xí)和對比學(xué)習(xí)有益，但它卻簡化了 MAE 的圖像重構(gòu)任務(wù)，因?yàn)檠诖a操作 (masking) 的根本目的恰恰是降低模型輸入和重構(gòu)目標(biāo)之間的互信息，以減少圖像信號的冗余。這表明以 MAE 為代表的掩碼圖像建模對數(shù)據(jù)增強(qiáng)具有與傳統(tǒng)判別式訓(xùn)練范式不同的偏好，進(jìn)而帶來了 MAE 自監(jiān)督學(xué)習(xí)中的數(shù)據(jù)增強(qiáng)難題。

方法

1. MoCE

Mixture of Cluster-conditional Expert (MoCE) 通過數(shù)據(jù)聚類和顯式地使用具有相似語義的圖像來訓(xùn)練每個專家，以實(shí)現(xiàn)針對特定任務(wù)的定制自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練。MoCE 的過程分為三個階段，具體如下：

1. 首先，我們使用預(yù)先訓(xùn)練好的 MAE 模型對整個數(shù)據(jù)集進(jìn)行聚類。每張圖片被分到不同的聚類中，并記錄每個聚類的中心點(diǎn)，形成矩陣 C。

2. 然后，受 Mixture-of-Experts (MoE) 多專家模型的啟發(fā)，我們構(gòu)建了基于聚類先驗(yàn)的 MoCE 模型。與目前常用的視覺多專家模型將每個圖像的 token 路由到某個專家不同，MoCE 讓每個專家負(fù)責(zé)訓(xùn)練一組相似的聚類圖片，使得每個專家在不同語義數(shù)據(jù)上得到顯式訓(xùn)練。

具體來說，現(xiàn)有的視覺多專家模型基于 ViT 構(gòu)建，將原先某些 Transformer Block 中的單個 MLP 層擴(kuò)展為多個 MLP 層，每個 MLP 被稱作一個專家 (expert)。同時(shí)引入一個門控網(wǎng)絡(luò) (gate network)，該門控網(wǎng)絡(luò)決定每個 token 應(yīng)該去往哪個專家。

MoCE 多專家層的核心改變是門控網(wǎng)絡(luò)的輸入：

這里，C[x] 表示 token x 所屬圖片所在的聚類中心（我們在第一步已經(jīng)完成了聚類），而不是原先的 token 嵌入。這樣，屬于同一個聚類的圖片的 tokens 都會被路由到同一個專家，從而顯式地區(qū)分每個專家在語義上的差異。為了穩(wěn)定訓(xùn)練并增強(qiáng)門控網(wǎng)絡(luò)的置信度，我們提出了兩個額外的正則化損失，并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了它們的有效性。

3. 當(dāng)下游任務(wù)到達(dá)時(shí)，我們引入了一個搜索模塊來選擇最適合用于遷移學(xué)習(xí)的專家。具體而言，我們重復(fù)利用第一步提到的聚類模塊，找到與下游數(shù)據(jù)集最相似的聚類，然后找到該聚類所訓(xùn)練的專家，將其單獨(dú)提取出來，舍棄其他專家進(jìn)行遷移。這樣，在下游任務(wù)中，我們始終使用一個正常大小的 ViT 模型。

2. MixedAE

Mixed Autoencoder (MixedAE) 提出輔助代理任務(wù)——同源識別 (Homologous recognition)，旨在顯示要求每個圖像塊識別混合圖像中的同源圖像塊以緩解圖像混合所導(dǎo)致的互信息上升，從而實(shí)現(xiàn)物體感知的自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練。MixedAE 的過程分為三個階段，具體如下：

1. 混合階段：在給定混合系數(shù) r 的情況下，將輸入圖像隨機(jī)劃分為不同的圖像組，并根據(jù) r 對每個圖像組進(jìn)行隨機(jī)混合，生成混合圖像。

2. 識別階段：鑒于 Vision Transformer 中全局自注意力的使用，在重構(gòu)過程中，各個圖像塊不可避免地與來自其他圖像的異源圖像塊發(fā)生交互，從而導(dǎo)致互信息的上升。因此我們提出同源自注意力機(jī)制 (Homologous attention)，通過部署一個簡單的 TopK 采樣操作，要求每個圖像塊顯示識別并僅與同源圖像塊做自注意力計(jì)算，以抑制互信息的上升。

3. 驗(yàn)證階段：為了驗(yàn)證同源自注意力的準(zhǔn)確性，我們提出同源對比損失 (Homologous contrasitve)。對于任意查詢圖像塊 (query patch)，我們將其同源圖像塊視為正樣本，異源圖像塊作為負(fù)樣本，以促進(jìn)同源圖像塊特征的相似度，從而顯示要求圖像塊識別并僅和同源圖像塊做自注意力計(jì)算。最后，同源對比損失將和原始圖像重構(gòu)損失一起以多任務(wù)形式優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練。

實(shí)驗(yàn)分析

1. MoCE

我們在之前提到的 11 個下游分類數(shù)據(jù)集和檢測分割任務(wù)上做了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MoCE 在多個下游任務(wù)中的性能超過了傳統(tǒng)的 MAE 預(yù)訓(xùn)練方法。具體而言，在圖像分類任務(wù)中，MoCE 相較于 MAE 實(shí)現(xiàn)了更高的準(zhǔn)確率。在目標(biāo)檢測和分割任務(wù)中，MoCE 也取得了更好的表現(xiàn)，包括更高的 mIoU 和 AP 指標(biāo)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MoCE 通過利用相似語義圖像進(jìn)行聚類并為每個專家進(jìn)行任務(wù)定制的自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練，能夠在各種下游任務(wù)中提高遷移性能。

▲ 表一：MoCE在細(xì)粒度數(shù)據(jù)集上有較大提升，在類別比較寬泛的任務(wù)上也有少量提升。

2. MixedAE

在 14 個下游視覺任務(wù)（包括圖像分類、語義分割和物體檢測）的評估中，MixedAE 展現(xiàn)了最優(yōu)的遷移性能和卓越的計(jì)算效率。相較于 iBOT，MixedAE 實(shí)現(xiàn)了約 2 倍預(yù)訓(xùn)練加速。得益于圖像混合所帶來的物體感知預(yù)訓(xùn)練，MixedAE 在下游密集預(yù)測任務(wù)上取得更顯著的性能提升。注意力圖可視化結(jié)果表明，MixedAE 能比 MAE 更準(zhǔn)確完整地識別圖像前景物體，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的密集預(yù)測遷移性能。

▲ 表二：MixedAE在不同訓(xùn)練代價(jià)下均獲得當(dāng)前最優(yōu)結(jié)果，展現(xiàn)了卓越的計(jì)算效率。

▲ 圖二：注意力圖可視化。得益于ImageNet的單實(shí)例假設(shè)[2]以及物體感知的自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練，MixedAE可以更準(zhǔn)確完整地發(fā)現(xiàn)圖像前景物體，從而實(shí)現(xiàn)更好的密集預(yù)測遷移性能。

作者介紹

結(jié)合 MoCE 和 MixedAE 的研究發(fā)現(xiàn)，我們揭示了自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練中數(shù)據(jù)之謎：數(shù)據(jù)量不再是唯一關(guān)鍵因素，而是如何利用數(shù)據(jù)和進(jìn)行定制化預(yù)訓(xùn)練和數(shù)據(jù)增廣更為關(guān)鍵。MoCE 通過數(shù)據(jù)聚類和專家定制訓(xùn)練，顯著提高了針對特定下游任務(wù)的遷移性能。MixedAE 則通過一種簡單有效的圖像混合方法，實(shí)現(xiàn)了在各種下游任務(wù)中的最先進(jìn)遷移性能。這些研究發(fā)現(xiàn)不僅為自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練領(lǐng)域提供了新的視角，還為開發(fā)更為高效、可擴(kuò)展和定制化的預(yù)訓(xùn)練方法提供了指導(dǎo)和啟示。我們希望這些探索是一個有效利用更多數(shù)據(jù)量的途徑，并為研究者們提供新的思路。

* 本文由 GPT-4 撰寫初稿并潤色。

參考文獻(xiàn)

[1] Task-customized Self-supervised Pre-training with Scalable Dynamic Routing, AAAI 2022.

[2] MultiSiam: Self-supervised Multi-instance Siamese Representation Learning for Autonomous Driving, ICCV 2021.

基礎(chǔ)模型自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)之謎：大量數(shù)據(jù)究竟是福還是禍？