語義表征的無監(jiān)督對比學(xué)習(xí)：一個(gè)新理論框架

諸如圖像、文本、視頻等復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的語義表征 (也稱為語義嵌入) 已成為機(jī)器學(xué)習(xí)的核心問題，并在機(jī)器翻譯、語言模型、GAN、域遷移等領(lǐng)域中出現(xiàn)。這些都會(huì)涉及學(xué)習(xí)表征函數(shù)，即每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的表征信息都是“高級(jí)別” (保留語義信息，同時(shí)丟棄低級(jí)細(xì)節(jié)，如圖像中單個(gè)像素的顏色等) 和“緊湊“ (低維)。衡量語義表征好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是，它能夠通過少量標(biāo)記數(shù)據(jù)，使用線性分類器 (或其他低復(fù)雜度分類器) 來解決它們，從而大大簡化新分類任務(wù)的求解過程。

使用未標(biāo)記數(shù)據(jù)進(jìn)行無監(jiān)督表示學(xué)習(xí)研究是當(dāng)前該領(lǐng)域最感興趣的一個(gè)研究話題。一種常用的方法是使用類似于 word2vec 算法進(jìn)行詞嵌入 (word embedding)，這種方法適用于各種數(shù)據(jù)類型，如社交網(wǎng)絡(luò)、圖像、文本等數(shù)據(jù)。

那么，為什么這些方法能夠適用于如此多樣化環(huán)境中？這得益于一種新的理論框架 “A Theoretical Analysis of Contrastive Unsupervised Representation Learning” 的提出。作為該框架的聯(lián)合提出者，Misha Khodak 提出了一種非常簡單的假設(shè)，因?yàn)轭愃?word2vec 算法需要適用于一些完全不同的數(shù)據(jù)類型，而這些數(shù)據(jù)無法共享一個(gè)通用的貝葉斯生成模型。（有關(guān)這個(gè)空間的生成模型例子在早期關(guān)于 RAND-WALK 模型的文章中有過描述。）因此，這個(gè)框架也提出了一些新方法，用于設(shè)計(jì)訓(xùn)練時(shí)的目標(biāo)函數(shù)變體。本篇文章將詳細(xì)解釋這些方法。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/1902.09229

語義表征學(xué)習(xí)

首先，是否存在良好且廣泛適用的表征呢？在計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域，答案是肯定的，因?yàn)樯疃染矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 在大型含多類別標(biāo)簽數(shù)據(jù)集 (如 ImageNet) 上以高精度訓(xùn)練時(shí)，最終會(huì)學(xué)習(xí)得到非常強(qiáng)大而簡潔的表征信息。網(wǎng)絡(luò)的倒數(shù)第二層——輸入到最終的 softmax 層，可以在其他新的視覺任務(wù)中用作圖像的良好語義嵌入。(同樣，訓(xùn)練后網(wǎng)絡(luò)中的其他層也可以作為良好的嵌入)。實(shí)際上，使用這種通過在大型多類別數(shù)據(jù)集上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練得到網(wǎng)絡(luò)，將其作為其他任務(wù)的語義嵌入已經(jīng)在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域研究中廣泛使用，這允許一些新的分類任務(wù)只需要非常少的標(biāo)記數(shù)據(jù)，使用低復(fù)雜度分類器 (如線性分類器) 來解決。因此，嘗試通過未標(biāo)記的數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)語義嵌入信息，這已經(jīng)成為一條黃金準(zhǔn)則。

類似 word2vec 的方法：CURL

自 word2vec 方法取得成功以來，一些相似的方法也被用于學(xué)習(xí)諸如句子、段落、圖像和生物序列等數(shù)據(jù)的嵌入信息。所有這些方法都是基于一個(gè)關(guān)鍵性的想法：即利用相似數(shù)據(jù)點(diǎn)對 x、x+，并學(xué)習(xí)嵌入函數(shù) f 。嵌入函數(shù)是 f(x) 和 f(x+) 的內(nèi)積表示，通常高于 f(x) 和 f(x-) 的內(nèi)積和 (這里的 x- 是一個(gè)與 x 不相似的隨機(jī)數(shù)據(jù)點(diǎn))。在實(shí)踐中，尋找相似數(shù)據(jù)點(diǎn)通常需要使用一些啟發(fā)式方法，常用的方法是共現(xiàn) (co-occurrences)。例如，在一個(gè)大型的文本語料庫中，相似數(shù)據(jù)點(diǎn)可以通過連續(xù)的句子、視頻剪輯中的相鄰幀，同一圖像中的不同補(bǔ)丁等找到。

這種方法的一個(gè)代表性例子是來自 Logeswaran 和 Lee 提出的 Quick Thoughts (QT)，這是當(dāng)前許多無監(jiān)督文本嵌入任務(wù)中最先進(jìn)的方法。對于一個(gè)大型文本語料庫中，為了學(xué)習(xí)一個(gè)表征函數(shù) f，QT 將損失函數(shù)最小化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

這里，(x，x+) 表示的是連續(xù)句子中語義相似的數(shù)據(jù)點(diǎn)，x- 代表一個(gè)隨機(jī)的負(fù)樣本。例如，對于圖像而言， x 和 x+ 可能是視頻中的相鄰幀。對于文本而言，兩個(gè)連續(xù)的句子是選擇相似數(shù)據(jù)點(diǎn)的良好選擇。例如，以下是維基百科中對 word2vec 進(jìn)行解釋的的兩個(gè)連續(xù)句子案例：“High frequency words often provide little information”和“Words with frequency above a certain threshold may be subsampled to increase training speed”。顯然，這兩個(gè)句子的相似數(shù)據(jù)點(diǎn)，比起任意隨機(jī)得到的句子對更多，學(xué)習(xí)者正好可以利用這一點(diǎn)。因此，從現(xiàn)在開始使用對比度無監(jiān)督表示學(xué)習(xí) (CURL) 來指代那些用于尋找相似數(shù)據(jù)對的方法，而本文的目標(biāo)就是要分析這些方法。

需要一個(gè)新的框架

標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器學(xué)習(xí)框架都涉及最小化一些損失函數(shù)，且當(dāng)在訓(xùn)練數(shù)據(jù)點(diǎn)和測試數(shù)據(jù)點(diǎn)上的平均損失大致相同時(shí)，則認(rèn)為模型的學(xué)習(xí)是成功的 (或具有泛化能力)。然而，在對比學(xué)習(xí)（contrastive learning,CL ）中，測試時(shí)使用的目標(biāo)函數(shù)通常與訓(xùn)練的目標(biāo)函數(shù)不同：泛化誤差并不能作為解決這類問題的正確方法。

早期在這方面所使用的方法包括核學(xué)習(xí) (kernel learning) 和半監(jiān)督學(xué)習(xí) (semi-supervised learning)，但在訓(xùn)練時(shí)通常至少需要一些帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，這些樣本來自未來感興趣的分類任務(wù)。使用簡單的設(shè)置也可以構(gòu)建帶生成模型的貝葉斯方法，但這種方法已被證明難以解決諸如圖像和文本等復(fù)雜數(shù)據(jù)問題。此外，上面所說的類似 word2vec 的簡單方法似乎無法像貝葉斯優(yōu)化器那樣，以清楚直接的方式操作，且同時(shí)適用于一些不同的數(shù)據(jù)類型。

因此，本文通過提出一個(gè)新的框架來解決這個(gè)問題，該框架規(guī)范地定義了 “語義相似” 的概念，這是其他算法所沒有的。此外，它還進(jìn)一步說明為什么對比學(xué)習(xí) 能夠提供良好的表征，以及在這種情況下一個(gè)良好表征的意義。

框架

顯然，對比學(xué)習(xí)中使用隱式 / 啟發(fā)式定義的相似性概念，以某種方式與下游任務(wù) (downstream tasks) 相關(guān)聯(lián)。例如，相似性帶有強(qiáng)烈的隱含意義，即在許多下游任務(wù)中 “相似對” 往往被分配相同的標(biāo)簽 (雖然這本身沒有硬性保證)。而本文提出了一種極簡的框架來簡單形式化這種相似性概念。為了方便說明，以下將數(shù)據(jù)點(diǎn)稱為“圖像”。

語義相似性

我們假設(shè)大自然有許多類圖像，所有類集合 C 有一個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn) ρ。因此，當(dāng)需要選擇一個(gè)類時(shí)，我們將以概率 ρ(c) 選擇類別 c。每個(gè)類別 c 在圖像上都具有一個(gè)相關(guān)分布 Dc，即在需要提供類別 c 的示例 (如選擇類別“狗”)，則它將以概率 Dc (x) 選擇圖像 x。請注意，在這里類別之間可以有任意的重疊，也可以互相獨(dú)立不重疊。為了公式化語義相似性的概念，在這里假設(shè)當(dāng)需要提供相似圖像時(shí)，使用度量 ρ 從集合 C 中選擇一個(gè)類別 c+，然后選擇兩個(gè)來自 Dc + 的獨(dú)立同分布樣本 x，x+。隨后再從度量 ρ 中選擇另一個(gè)類別 c-，并從 Dc- 中隨機(jī)挑選不相似樣本 x-。

如下式，表征學(xué)習(xí)訓(xùn)練的目標(biāo)函數(shù)使用早期的 QT 目標(biāo)，但基于當(dāng)前的框架繼承了以下解釋：

值得注意的是，函數(shù)類 F 是一個(gè)任意的深度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該架構(gòu)將圖像映射到嵌入空間 (神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有最后一層)，并通過梯度下降 / 反向傳播法來學(xué)習(xí) f。當(dāng)然，目前還沒有理論可以解釋復(fù)雜的深度網(wǎng)絡(luò)在什么時(shí)候算訓(xùn)練成功，因此，這里提出的框架會(huì)假設(shè)當(dāng)梯度下降已經(jīng)導(dǎo)致某些表征 f 達(dá)到很低的損失時(shí)認(rèn)為達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài)，并研究它在下游分類任務(wù)中的表現(xiàn)。

測試表征

用什么來定義一個(gè)好的表征呢？這里我們假設(shè)通過它，使用一個(gè)線性分類器解決二進(jìn)制分類任務(wù)，來衡量表征的質(zhì)量。(此外，本文還研究了下游任務(wù)中 k 類分類任務(wù)的情況)。那么如何選擇這個(gè)二進(jìn)制分類任務(wù)？我們根據(jù)度量 ρ 隨機(jī)選取兩個(gè)類別 c1、c2，并根據(jù)相關(guān)的概率分布 Dc1、Dc2 為每個(gè)類別選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后使用該表征，通過邏輯回歸來解決該二進(jìn)制任務(wù)：即找到兩個(gè)向量 w1、w2 來最小化以下?lián)p失。

這里用二分類任務(wù)的平均損失來衡量表征的質(zhì)量：

還值得注意的是，對于潛在類別中的未標(biāo)記數(shù)據(jù)，將以相同類別在分類任務(wù)中出現(xiàn)。這允許我們可以公式化上面所提到的 “語義相似性” 的意義：即數(shù)據(jù)點(diǎn)更頻繁地出現(xiàn)在一起的類別，構(gòu)成了相關(guān)分類任務(wù)的類別。如果類別數(shù)很大的話，那么在無監(jiān)督訓(xùn)練時(shí)使用的數(shù)據(jù)可能不會(huì)在測試階段涉及。實(shí)際上，我們希望所學(xué)習(xí)的表征能夠?qū)δ切撛诘?、看不見的分類任?wù)有用。

無監(jiān)督學(xué)習(xí)的保證

該理論框架的理想結(jié)果是什么？假設(shè)我們固定一種類別的表征函數(shù) F，并可以通過 ResNet 50 結(jié)構(gòu)，選擇結(jié)構(gòu)層尺寸來計(jì)算它。

雖然可以使用 Rademacher complexity arguments 來控制學(xué)習(xí)近似最小化器時(shí)所需的未標(biāo)記數(shù)據(jù)對的數(shù)量，但實(shí)際上，這種理想環(huán)境中的原理是不可能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槲覀兛梢哉故疽粋€(gè)簡單類別 F，它的對比目標(biāo)無法產(chǎn)生可媲美最好類別所產(chǎn)生的表征。無需驚訝，這只是表明：想要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)理想結(jié)果，需要比上述結(jié)果做出更多的假設(shè)。

相反，本文所提出的框架證明，當(dāng)對比學(xué)習(xí)結(jié)束時(shí)無監(jiān)督損失恰好較小，則所得到的表征在下游的分類任務(wù)中能夠表現(xiàn)良好。

這表明無監(jiān)督損失函數(shù)可以被視為是使用線性分類方法解決下游任務(wù)時(shí)的一種性能替代，因此對其進(jìn)行最小化是有意義的。此外，在未來的下游任務(wù)中，線性分類器學(xué)習(xí)只需要少數(shù)帶標(biāo)簽的樣本數(shù)據(jù)。因此，所提出的框架可以為對比學(xué)習(xí)提供保證，同時(shí)也能夠突出它所提供的在標(biāo)簽樣本復(fù)雜性方面的優(yōu)勢。

鏈接：https://arxiv.org/abs/1902.09229

理論分析的擴(kuò)展

這個(gè)理論框架不僅能夠推理 (1) 成功的變體，還能夠設(shè)計(jì)理論上新的無監(jiān)督目標(biāo)函數(shù)。

先驗(yàn)（priori），可以想象是 (1) 中關(guān)于對數(shù)和指數(shù)的一些信息論解釋；同時(shí)，將函數(shù)形式與用于下游分類任務(wù)的邏輯回歸聯(lián)系起來。類似地，如果通過 hinge loss 進(jìn)行分類的話，那么在 (2) 中將使用 hinge-like loss 作為不同的無監(jiān)督損失。例如，Wang 和 Gupta 論文中的目標(biāo)函數(shù)被用于從視頻中學(xué)習(xí)圖像表征。此外，通常在實(shí)踐中，k> 1 個(gè)負(fù)樣本與每個(gè)正樣本 (x，x+) 形成對比，而無監(jiān)督的目標(biāo)函數(shù)看起來像 k 類交叉熵?fù)p失形式。對于這種設(shè)置，事實(shí)上監(jiān)督損失是與 (2) 中類似的 k + 1 類的分類損失。

最后，在相似數(shù)據(jù)可用時(shí)，該框架提供了用于設(shè)計(jì)新的無監(jiān)督目標(biāo)的方法 (如段落中的句子)。將 (1) 中的 f(x+) 和 f(x-) 分別替換為正、負(fù)樣本表征的平均值，那么將得到一個(gè)新的目標(biāo)函數(shù)，它在實(shí)踐中具有更強(qiáng)的保證和更好的性能。最后，本文將通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該變體的有效性，具體結(jié)果如下。

實(shí)驗(yàn)

接下來，我們將通過一些對照實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所提出的理論。由于缺乏對多類別文本的規(guī)范說明，實(shí)驗(yàn)中使用一個(gè)新的含 3029 個(gè)類別的標(biāo)簽數(shù)據(jù)集，這些類別是來自維基百科網(wǎng)站上 3029 篇文章，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)這些文章中 200 條句子中的一條。所學(xué)習(xí)的表征信息將在隨機(jī)的二進(jìn)制分類任務(wù)上進(jìn)行測試，該分類任務(wù)涉及兩篇文章，其中數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的類別是其所屬的兩篇文章中的一篇 (同樣，以這種方式定義 10 分類任務(wù))。在訓(xùn)練表征時(shí)，將保持測試任務(wù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。句子表征 F 是基于門控遞歸單元 (GRU) 的簡單多層結(jié)構(gòu)。

基于上述的黃金標(biāo)準(zhǔn)，在這里通過有監(jiān)督地訓(xùn)練 3029 類分類器并在最終的 softmax 層輸出之前層所學(xué)習(xí)的表征得到最終的結(jié)果。

而根據(jù)所提出的理論，無監(jiān)督方法用于生成相似的數(shù)據(jù)點(diǎn)對：這些相似的數(shù)據(jù)點(diǎn)只是從同一篇文章中采樣得到的句子對。隨后通過最小化上述的無監(jiān)督損失目標(biāo)來學(xué)習(xí)表征。

在上表中突出顯示的部分表明，無監(jiān)督表征與在 k 分類監(jiān)督任務(wù)上 (k = 2,10) 所習(xí)得的表征相當(dāng)。

此外，即使在所提出的理論中沒有涉及，該表征也能夠在完整的多分類問題上表現(xiàn)出色：即每個(gè)類別的無監(jiān)督表征均值 (質(zhì)心) 是能夠在 k 分類監(jiān)督任務(wù)中表現(xiàn)良好。而所得到的無監(jiān)督表征和監(jiān)督表征都是正確的。

此外，其他的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究負(fù)樣本數(shù)量和較大塊相似數(shù)據(jù)點(diǎn)的影響，包括 CIFAR-100 圖像數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)等。

結(jié)論

盡管對比學(xué)習(xí)是一種眾所周知的直觀算法，但是否真正有效卻一直還未在實(shí)踐中得到證實(shí)。本文所提出的理論框架，為使用此類算法學(xué)習(xí)表征提供了保證。在闡述這些算法的同時(shí)，該框架還能進(jìn)一步提出并分析它的變體，并提供相應(yīng)的解釋證明，以便形成并探索更強(qiáng)保證的新假設(shè)。此外，基于該框架，還能進(jìn)行一些擴(kuò)展，包括對潛在類別強(qiáng)加一個(gè)度量結(jié)構(gòu)，元學(xué)習(xí) (meta-learning) 與遷移學(xué)習(xí) (transfer learning) 之間建立聯(lián)系等。