常見(jiàn)的小樣本學(xué)習(xí)方法

近年來(lái)，基于深度學(xué)習(xí)的模型在目標(biāo)檢測(cè)和圖像識(shí)別等任務(wù)中表現(xiàn)出色。像ImageNet這樣具有挑戰(zhàn)性的圖像分類數(shù)據(jù)集，包含1000種不同的對(duì)象分類，現(xiàn)在一些模型已經(jīng)超過(guò)了人類水平上。但是這些模型依賴于監(jiān)督訓(xùn)練流程，標(biāo)記訓(xùn)練數(shù)據(jù)的可用性對(duì)它們有重大影響，并且模型能夠檢測(cè)到的類別也僅限于它們接受訓(xùn)練的類。

由于在訓(xùn)練過(guò)程中沒(méi)有足夠的標(biāo)記圖像用于所有類，這些模型在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可能不太有用。并且我們希望的模型能夠識(shí)別它在訓(xùn)練期間沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)的類，因?yàn)閹缀醪豢赡茉谒袧撛趯?duì)象的圖像上進(jìn)行訓(xùn)練。我們將從幾個(gè)樣本中學(xué)習(xí)的問(wèn)題被稱為“少樣本學(xué)習(xí) Few-Shot learning”。

什么是小樣本學(xué)習(xí)?

少樣本學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)子領(lǐng)域。它涉及到在只有少數(shù)訓(xùn)練樣本和監(jiān)督數(shù)據(jù)的情況下對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。只需少量的訓(xùn)練樣本，我們創(chuàng)建的模型就可以相當(dāng)好地執(zhí)行。

考慮以下場(chǎng)景:在醫(yī)療領(lǐng)域，對(duì)于一些不常見(jiàn)的疾病，可能沒(méi)有足夠的x光圖像用于訓(xùn)練。對(duì)于這樣的場(chǎng)景，構(gòu)建一個(gè)小樣本學(xué)習(xí)分類器是完美的解決方案。

小樣本的變化

一般來(lái)說(shuō)，研究人員確定了四種類型:

N-Shot Learning (NSL)

Few-Shot Learning ( FSL )

One-Shot Learning (OSL)

Zero-Shot Learning (ZSL)

當(dāng)我們談?wù)?FSL 時(shí)，我們通常指的是 N-way-K-Shot 分類。N 代表類別數(shù)，K 代表每個(gè)類中要訓(xùn)練的樣本數(shù)。所以N-Shot Learning 被視為比所有其他概念更廣泛的概念。可以說(shuō) Few-Shot、One-Shot 和 Zero-Shot是 NSL 的子領(lǐng)域。而零樣本學(xué)習(xí)旨在在沒(méi)有任何訓(xùn)練示例的情況下對(duì)看不見(jiàn)的類進(jìn)行分類。

在 One-Shot Learning 中，每個(gè)類只有一個(gè)樣本。Few-Shot 每個(gè)類有 2 到 5 個(gè)樣本，也就是說(shuō) Few-Shot 是更靈活的 One-Shot Learning 版本。

小樣本學(xué)習(xí)方法

通常，在解決 Few Shot Learning 問(wèn)題時(shí)應(yīng)考慮兩種方法：

數(shù)據(jù)級(jí)方法 (DLA)

這個(gè)策略非常簡(jiǎn)單，如果沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建實(shí)體模型并防止欠擬合和過(guò)擬合，那么就應(yīng)該添加更多數(shù)據(jù)。正因?yàn)槿绱?，許多 FSL 問(wèn)題都可以通過(guò)利用來(lái)更大大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集的更多數(shù)據(jù)來(lái)解決。基本數(shù)據(jù)集的顯著特征是它缺少構(gòu)成我們對(duì) Few-Shot 挑戰(zhàn)的支持集的類。例如，如果我們想要對(duì)某種鳥(niǎo)類進(jìn)行分類，則基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集可能包含許多其他鳥(niǎo)類的圖片。

參數(shù)級(jí)方法 (PLA)

從參數(shù)級(jí)別的角度來(lái)看，F(xiàn)ew-Shot Learning 樣本相對(duì)容易過(guò)擬合，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂写蟮母呔S空間。限制參數(shù)空間、使用正則化和使用適當(dāng)?shù)膿p失函數(shù)將有助于解決這個(gè)問(wèn)題。少量的訓(xùn)練樣本將被模型泛化。

通過(guò)將模型引導(dǎo)到廣闊的參數(shù)空間可以提高性能。由于缺乏訓(xùn)練數(shù)據(jù)，正常的優(yōu)化方法可能無(wú)法產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果。

因?yàn)樯厦娴脑?，?xùn)練我們的模型以發(fā)現(xiàn)通過(guò)參數(shù)空間的最佳路徑，產(chǎn)生最佳的預(yù)測(cè)結(jié)果。這種方法被稱為元學(xué)習(xí)。

小樣本學(xué)習(xí)圖像分類算法

有4種比較常見(jiàn)的小樣本學(xué)習(xí)的方法：

與模型無(wú)關(guān)的元學(xué)習(xí) Model-Agnostic Meta-Learning

基于梯度的元學(xué)習(xí) (GBML) 原則是 MAML 的基礎(chǔ)。在 GBML 中，元學(xué)習(xí)者通過(guò)基礎(chǔ)模型訓(xùn)練和學(xué)習(xí)所有任務(wù)表示的共享特征來(lái)獲得先前的經(jīng)驗(yàn)。每次有新任務(wù)要學(xué)習(xí)時(shí)，元學(xué)習(xí)器都會(huì)利用其現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)和新任務(wù)提供的最少量的新訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)訓(xùn)練。

一般情況下，如果我們隨機(jī)初始化參數(shù)經(jīng)過(guò)幾次更新算法將不會(huì)收斂到良好的性能。MAML 試圖解決這個(gè)問(wèn)題。MAML 只需幾個(gè)梯度步驟并且保證沒(méi)有過(guò)度擬合的前提下，為元參數(shù)學(xué)習(xí)器提供了可靠的初始化，這樣可以對(duì)新任務(wù)進(jìn)行最佳快速學(xué)習(xí)。

步驟如下：

元學(xué)習(xí)者在每個(gè)分集（episode）開(kāi)始時(shí)創(chuàng)建自己的副本C，

C 在這一分集上進(jìn)行訓(xùn)練（在 base-model 的幫助下），

C 對(duì)查詢集進(jìn)行預(yù)測(cè)，

從這些預(yù)測(cè)中計(jì)算出的損失用于更新 C，

這種情況一直持續(xù)到完成所有分集的訓(xùn)練。

這種技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于，它被認(rèn)為與元學(xué)習(xí)算法的選擇無(wú)關(guān)。因此MAML 方法被廣泛用于許多需要快速適應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，尤其是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

匹配網(wǎng)絡(luò) Matching Networks

為解決 FSL 問(wèn)題而創(chuàng)建的第一個(gè)度量學(xué)習(xí)方法是匹配網(wǎng)絡(luò) (MN)。

當(dāng)使用匹配網(wǎng)絡(luò)方法解決 Few-Shot Learning 問(wèn)題時(shí)需要一個(gè)大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。。

將該數(shù)據(jù)集分為幾個(gè)分集之后，對(duì)于每一分集，匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行以下操作：

來(lái)自支持集和查詢集的每個(gè)圖像都被饋送到一個(gè) CNN，該 CNN 為它們輸出特征的嵌入

查詢圖像使用支持集訓(xùn)練的模型得到嵌入特征的余弦距離，通過(guò) softmax 進(jìn)行分類

分類結(jié)果的交叉熵?fù)p失通過(guò) CNN 反向傳播更新特征嵌入模型

匹配網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)這種方式學(xué)習(xí)構(gòu)建圖像嵌入。MN 能夠使用這種方法對(duì)照片進(jìn)行分類，并且無(wú)需任何特殊的類別先驗(yàn)知識(shí)。他只要簡(jiǎn)單地比較類的幾個(gè)實(shí)例就可以了。

由于類別因分集而異，因此匹配網(wǎng)絡(luò)會(huì)計(jì)算對(duì)類別區(qū)分很重要的圖片屬性（特征）。而當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)分類時(shí)，算法會(huì)選擇每個(gè)類別獨(dú)有的特征。

原型網(wǎng)絡(luò) Prototypical Networks

與匹配網(wǎng)絡(luò)類似的是原型網(wǎng)絡(luò)（PN）。它通過(guò)一些細(xì)微的變化來(lái)提高算法的性能。PN 比 MN 取得了更好的結(jié)果，但它們訓(xùn)練過(guò)程本質(zhì)上是相同的，只是比較了來(lái)自支持集的一些查詢圖片嵌入，但是 原型網(wǎng)絡(luò)提供了不同的策略。

我們需要在 PN 中創(chuàng)建類的原型：通過(guò)對(duì)類中圖像的嵌入進(jìn)行平均而創(chuàng)建的類的嵌入。然后僅使用這些類原型來(lái)比較查詢圖像嵌入。當(dāng)用于單樣本學(xué)習(xí)問(wèn)題時(shí)，它可與匹配網(wǎng)絡(luò)相媲美。

關(guān)系網(wǎng)絡(luò) Relation Network

關(guān)系網(wǎng)絡(luò)可以說(shuō)繼承了所有上面提到方法的研究的結(jié)果。RN是基于PN思想的但包含了顯著的算法改進(jìn)。

該方法使用的距離函數(shù)是可學(xué)習(xí)的，而不是像以前研究的事先定義它。關(guān)系模塊位于嵌入模塊之上，嵌入模塊是從輸入圖像計(jì)算嵌入和類原型的部分。

可訓(xùn)練的關(guān)系模塊（距離函數(shù)）輸入是查詢圖像的嵌入與每個(gè)類的原型，輸出為每個(gè)分類匹配的關(guān)系分?jǐn)?shù)。關(guān)系分?jǐn)?shù)通過(guò) Softmax 得到一個(gè)預(yù)測(cè)。

使用 Open-AI Clip 進(jìn)行零樣本學(xué)習(xí)

CLIP（Contrastive Language-Image Pre-Training）是一個(gè)在各種（圖像、文本）對(duì)上訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它無(wú)需直接針對(duì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，就可以為給定的圖像來(lái)預(yù)測(cè)最相關(guān)的文本片段（類似于 GPT-2 和 3 的零樣本的功能）。

CLIP 在 ImageNet“零樣本”上可以達(dá)到原始 ResNet50 的性能，而且需要不使用任何標(biāo)記示例，它克服了計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的幾個(gè)主要挑戰(zhàn)，下面我們使用Pytorch來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的分類模型。

引入包

! pip install ftfy regex tqdm
! pip install git+https://github.com/openai/CLIP.gitimport numpy as np
import torch
from pkg_resources import packaging

print("Torch version:", torch.__version__)

加載模型

import clipclip.available_models() # it will list the names of available CLIP modelsmodel, preprocess = clip.load("ViT-B/32")
model.cuda().eval()
input_resolution = model.visual.input_resolution
context_length = model.context_length
vocab_size = model.vocab_size

print("Model parameters:", f"{np.sum([int(np.prod(p.shape)) for p in model.parameters()]):,}")
print("Input resolution:", input_resolution)
print("Context length:", context_length)
print("Vocab size:", vocab_size)

圖像預(yù)處理

我們將向模型輸入8個(gè)示例圖像及其文本描述，并比較對(duì)應(yīng)特征之間的相似性。

分詞器不區(qū)分大小寫(xiě)，我們可以自由地給出任何合適的文本描述。

import os
import skimage
import IPython.display
import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image
import numpy as np

from collections import OrderedDict
import torch

%matplotlib inline
%config InlineBackend.figure_format = 'retina'

# images in skimage to use and their textual descriptions
descriptions = {
 "page": "a page of text about segmentation",
 "chelsea": "a facial photo of a tabby cat",
 "astronaut": "a portrait of an astronaut with the American flag",
 "rocket": "a rocket standing on a launchpad",
 "motorcycle_right": "a red motorcycle standing in a garage",
 "camera": "a person looking at a camera on a tripod",
 "horse": "a black-and-white silhouette of a horse",
 "coffee": "a cup of coffee on a saucer"
}original_images = []
images = []
texts = []
plt.figure(figsize=(16, 5))

for filename in [filename for filename in os.listdir(skimage.data_dir) if filename.endswith(".png") or filename.endswith(".jpg")]:
 name = os.path.splitext(filename)[0]
 if name not in descriptions:
   continue

 image = Image.open(os.path.join(skimage.data_dir, filename)).convert("RGB")

 plt.subplot(2, 4, len(images) + 1)
 plt.imshow(image)
 plt.title(f"{filename}
{descriptions[name]}")
 plt.xticks([])
 plt.yticks([])

 original_images.append(image)
 images.append(preprocess(image))
 texts.append(descriptions[name])

plt.tight_layout()

結(jié)果的可視化如下：

我們對(duì)圖像進(jìn)行規(guī)范化，對(duì)每個(gè)文本輸入進(jìn)行標(biāo)記，并運(yùn)行模型的正傳播獲得圖像和文本的特征。

image_input = torch.tensor(np.stack(images)).cuda()
text_tokens = clip.tokenize(["This is " + desc for desc in texts]).cuda()

with torch.no_grad():
 image_features = model.encode_image(image_input).float()
 text_features = model.encode_text(text_tokens).float()

我們將特征歸一化，并計(jì)算每一對(duì)的點(diǎn)積，進(jìn)行余弦相似度計(jì)算

image_features /= image_features.norm(dim=-1, keepdim=True)
text_features /= text_features.norm(dim=-1, keepdim=True)
similarity = text_features.cpu().numpy() @ image_features.cpu().numpy().T

count = len(descriptions)

plt.figure(figsize=(20, 14))
plt.imshow(similarity, vmin=0.1, vmax=0.3)
# plt.colorbar()
plt.yticks(range(count), texts, fontsize=18)
plt.xticks([])
for i, image in enumerate(original_images):
 plt.imshow(image, extent=(i - 0.5, i + 0.5, -1.6, -0.6), origin="lower")
for x in range(similarity.shape[1]):
 for y in range(similarity.shape[0]):
   plt.text(x, y, f"{similarity[y, x]:.2f}", ha="center", va="center", size=12)
   
for side in ["left", "top", "right", "bottom"]:
plt.gca().spines[side].set_visible(False)

plt.xlim([-0.5, count - 0.5])
plt.ylim([count + 0.5, -2])

plt.title("Cosine similarity between text and image features", size=20)

零樣本的圖像分類

from torchvision.datasets import CIFAR100
cifar100 = CIFAR100(os.path.expanduser("~/.cache"), transform=preprocess, download=True)
text_descriptions = [f"This is a photo of a {label}" for label in cifar100.classes]
text_tokens = clip.tokenize(text_descriptions).cuda()
with torch.no_grad():
 text_features = model.encode_text(text_tokens).float()
 text_features /= text_features.norm(dim=-1, keepdim=True)
 
text_probs = (100.0 * image_features @ text_features.T).softmax(dim=-1)
top_probs, top_labels = text_probs.cpu().topk(5, dim=-1)
plt.figure(figsize=(16, 16))
for i, image in enumerate(original_images):
 plt.subplot(4, 4, 2 * i + 1)
 plt.imshow(image)
 plt.axis("off")

 plt.subplot(4, 4, 2 * i + 2)
 y = np.arange(top_probs.shape[-1])
 plt.grid()
 plt.barh(y, top_probs[i])
 plt.gca().invert_yaxis()
 plt.gca().set_axisbelow(True)
 plt.yticks(y, [cifar100.classes[index] for index in top_labels[i].numpy()])
 plt.xlabel("probability")
 
plt.subplots_adjust(wspace=0.5)
plt.show()

可以看到，分類的效果還是非常好的