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交叉熵是圖像分類模型監督訓練中應用最廣泛的損失函數。在這篇論文中，我們提出了一種新的訓練方法，在不同架構和數據擴充的監督學習任務中，它的表現始終優于交叉熵。我們修改了批量對比損失，這是最近被證明在自監督學習強大表示是非常有效的。我們能夠比交叉熵更有效地利用標簽信息。在嵌入空間中，將同一類的點聚在一起，同時將不同類的樣本聚在一起。除此之外，我們還利用了關鍵的成分，如大批量和標準化嵌入，這些已經被證明有利于自監督學習。在ResNet-50和ResNet-200上，我們的交叉熵性能都超過了1%，在使用自動增廣數據增強的方法中，我們設置了78.8%的最新水平。這一損失也清楚地表明，在校準和準確性方面，對標準基準的自然損壞具有魯棒性。與交叉熵相比，我們的監督對比損失更穩定的超參數設置，如優化或數據擴充。

題目： Self-supervised Equivariant Attention Mechanism for Weakly Supervised Semantic Segmentation

摘要： 圖像級弱監督語義分割是近年來深入研究的一個具有挑戰性的問題。大多數高級解決方案都利用類激活映射(CAM)。然而，由于監督的充分性和弱監督的差距，CAMs很難作為目標掩模。在這篇論文中，我們提出了一個自我監督的等變注意機制(SEAM)來發現額外的監督并縮小差距。我們的方法是基于等方差是完全監督語義分割的一個隱含約束，其像素級標簽在數據擴充過程中與輸入圖像進行相同的空間變換。然而，這種約束在圖像級監控訓練的凸輪上丟失了。因此，我們提出了對不同變換圖像的預測凸輪進行一致性正則化，為網絡學習提供自監督。此外，我們提出了一個像素相關模塊(PCM)，它利用上下文外觀信息，并改進當前像素的預測由其相似的鄰居，從而進一步提高CAMs的一致性。在PASCAL VOC 2012數據集上進行的大量實驗表明，我們的方法在同等監督水平下表現優于最先進的方法。

題目： Milking CowMask for Semi-Supervised Image Classification

摘要：

一致性正則化是一種用于半監督學習的技術，最近被證明可以在標記數據很少的情況下產生強大的分類結果。該方法通過增加或反例擾動輸入數據，并鼓勵所學習的模型對未標記數據的擾動具有魯棒性。在這里，我們評估了一種最近提出的增強方法，稱為CowMasK。在半監督一致性正則化中，使用CowMask作為增強方法，我們在Imagenet上建立了一個新的最優結果，標記數據為10%，前5位誤差為8.76%，前1位誤差為26.06%。此外，我們使用的方法比其他方法簡單得多。我們通過在小型圖像基準SVHN、CIFAR-10和CIFAR-100上運行許多較小規模的實驗，進一步研究了CowMask用于半監督學習的行為，在這些實驗中，我們獲得了與現有水平相當的結果，并且發現了CowMask擾動廣泛適用的證據。

題目

A survey on Semi-, Self- and Unsupervised Techniques in Image Classification Similarities, Differences & Combinations

關鍵字

深度學習，計算機視覺，監督學習，半監督學習，無監督學習，人工智能，綜述

簡介

雖然深度學習策略在計算機視覺任務中取得了出色的成績，但仍然存在一個問題。當前的策略嚴重依賴大量的標記數據。在許多實際問題中，創建如此大量的帶標簽的訓練數據是不可行的。因此，研究人員嘗試將未標記的數據合并到訓練過程中，以減少標簽數量達到平等的結果。由于大量的并發研究，很難跟蹤最新的發展。在本次調查中，我們概述了標簽較少的圖像分類中常用的技術和方法。我們比較21種方法。在我們的分析中，我們確定了三個主要趨勢。 1.最先進的方法基于其準確性可擴展到現實世界的應用程序。2.達到與所有標簽的使用效果相當的結果所需的超視力水平正在降低。3.所有方法共享共同的技術，而只有很少的方法將這些技術結合起來以實現更好的性能。基于這三個趨勢，我們發現了未來的研究機會。

作者

Lars Schmarje, Monty Santarossa,Simon-Martin Schroder, Reinhard Koch

?【導讀】圖像分類是計算機視覺中的基本任務之一，深度學習的出現是的圖像分類技術趨于完善。最近，自監督學習與預訓練技術的發展使得圖像分類技術出現新的變化，這篇論文概述了最新在實際情況中少標簽小樣本等情況下，關于自監督學習、半監督、無監督方法的綜述，值得看！

地址：

//www.zhuanzhi.ai/paper/6d160a5f8634d25a2feda7a30e1e5132

摘要

雖然深度學習策略在計算機視覺任務中取得了突出的成績，但仍存在一個問題。目前的策略嚴重依賴于大量的標記數據。在許多實際問題中，創建這么多標記的訓練數據是不可行的。因此，研究人員試圖將未標記的數據納入到培訓過程中，以獲得與較少標記相同的結果。由于有許多同時進行的研究，很難掌握最近的發展情況。在這項調查中，我們提供了一個概述，常用的技術和方法，在圖像分類與較少的標簽。我們比較了21種方法。在我們的分析中，我們確定了三個主要趨勢。1. 基于它們的準確性，現有技術的方法可擴展到實際應用中。2. 為了達到與所有標簽的使用相同的結果所需要的監督程度正在降低。3.所有方法都共享公共技術，只有少數方法結合這些技術以獲得更好的性能。基于這三個趨勢，我們發現了未來的研究機會。

1. 概述

深度學習策略在計算機視覺任務中取得了顯著的成功。它們在圖像分類、目標檢測或語義分割等各種任務中表現最佳。

圖1: 這張圖說明并簡化了在深度學習訓練中使用未標記數據的好處。紅色和深藍色的圓圈表示不同類的標記數據點。淺灰色的圓圈表示未標記的數據點。如果我們只有少量的標記數據可用，我們只能對潛在的真實分布(黑線)做出假設(虛線)。只有同時考慮未標記的數據點并明確決策邊界，才能確定這種真實分布。

深度神經網絡的質量受到標記/監督圖像數量的強烈影響。ImageNet[26]是一個巨大的標記數據集，它允許訓練具有令人印象深刻的性能的網絡。最近的研究表明，即使比ImageNet更大的數據集也可以改善這些結果。但是，在許多實際的應用程序中，不可能創建包含數百萬張圖像的標記數據集。處理這個問題的一個常見策略是遷移學習。這種策略甚至可以在小型和專門的數據集(如醫學成像[40])上改進結果。雖然這對于某些應用程序來說可能是一個實際的解決方案，但基本問題仍然存在: 與人類不同，監督學習需要大量的標記數據。

對于給定的問題，我們通常可以訪問大量未標記的數據集。Xie等人是最早研究無監督深度學習策略來利用這些數據[45]的人之一。從那時起，未標記數據的使用被以多種方式研究，并創造了研究領域，如半監督、自我監督、弱監督或度量學習[23]。統一這些方法的想法是，在訓練過程中使用未標記的數據是有益的(參見圖1中的說明)。它要么使很少有標簽的訓練更加健壯，要么在某些不常見的情況下甚至超過了監督情況下的性能[21]。

由于這一優勢，許多研究人員和公司在半監督、自我監督和非監督學習領域工作。其主要目標是縮小半監督學習和監督學習之間的差距，甚至超越這些結果。考慮到現有的方法如[49,46]，我們認為研究處于實現這一目標的轉折點。因此，在這個領域有很多正在進行的研究。這項綜述提供了一個概述，以跟蹤最新的在半監督，自監督和非監督學習的方法。

大多數綜述的研究主題在目標、應用上下文和實現細節方面存在差異，但它們共享各種相同的思想。這項調查對這一廣泛的研究課題進行了概述。這次調查的重點是描述這兩種方法的異同。此外，我們還將研究不同技術的組合。

2. 圖像分類技術

在這一節中，我們總結了關于半監督、自監督和非監督學習的一般概念。我們通過自己對某些術語的定義和解釋來擴展這一總結。重點在于區分可能的學習策略和最常見的實現策略的方法。在整個綜述中，我們使用術語學習策略，技術和方法在一個特定的意義。學習策略是算法的一般類型/方法。我們把論文方法中提出的每個算法都稱為獨立算法。方法可以分為學習策略和技術。技術是組成方法/算法的部分或思想。

2.1 分類方法

監督、半監督和自我監督等術語在文獻中經常使用。很少有人給出明確的定義來區分這兩個術語。在大多數情況下，一個粗略的普遍共識的意義是充分的，但我們注意到，在邊界情況下的定義是多種多樣的。為了比較不同的方法，我們需要一個精確的定義來區分它們。我們將總結關于學習策略的共識，并定義我們如何看待某些邊緣案例。一般來說，我們根據使用的標記數據的數量和訓練過程監督的哪個階段來區分方法。綜上所述，我們把半監督策略、自我學習策略和無監督學習策略稱為reduced減約監督學習策略。圖2展示了四種深度學習策略。

圖2: 插圖的四個深學習策略——紅色和深藍色的圓圈表示標記數據點不同的類。淺灰色的圓圈表示未標記的數據點。黑線定義了類之間的基本決策邊界。帶條紋的圓圈表示在訓練過程的不同階段忽略和使用標簽信息的數據點。

監督學習 Supervised Learning

監督學習是深度神經網絡圖像分類中最常用的方法。我們有一組圖像X和對應的標簽或類z。設C為類別數，f(X)為X∈X的某個神經網絡的輸出，目標是使輸出與標簽之間的損失函數最小化。測量f(x)和相應的z之間的差的一個常用的損失函數是交叉熵。

遷移學習

監督學習的一個限制因素是標簽的可用性。創建這些標簽可能很昂貴，因此限制了它們的數量。克服這一局限的一個方法是使用遷移學習。

遷移學習描述了訓練神經網絡的兩個階段的過程。第一個階段是在大型通用數據集(如ImageNet[26])上進行有無監督的訓練。第二步是使用經過訓練的權重并對目標數據集進行微調。大量的文獻表明，即使在小的領域特定數據集[40]上，遷移學習也能改善和穩定訓練。

半監督學習

半監督學習是無監督學習和監督學習的混合.

Self-supervised 自監督學習

自監督使用一個借托pretext任務來學習未標記數據的表示。借托pretext任務是無監督的，但學習表征往往不能直接用于圖像分類，必須進行微調。因此，自監督學習可以被解釋為一種無監督的、半監督的或其自身的一種策略。我們將自我監督學習視為一種特殊的學習策略。在下面，我們將解釋我們是如何得出這個結論的。如果在微調期間需要使用任何標簽，則不能將該策略稱為無監督的。這與半監督方法也有明顯的區別。標簽不能與未標記的數據同時使用，因為借托pretext任務是無監督的，只有微調才使用標簽。對我們來說，將標記數據的使用分離成兩個不同的子任務本身就是一種策略的特征。

2.2 分類技術集合

在減少監督的情況下，可以使用不同的技術來訓練模型。在本節中，我們將介紹一些在文獻中多種方法中使用的技術。

一致性正則化 Consistency regularization

一個主要的研究方向是一致性正則化。在半監督學習過程中，這些正則化被用作數據非監督部分的監督損失的附加損失。這種約束導致了改進的結果，因為在定義決策邊界時可以考慮未標記的數據[42,28,49]。一些自監督或無監督的方法甚至更進一步，在訓練中只使用這種一致性正則化[21,2]。

虛擬對抗性訓練(VAT)

VAT[34]試圖通過最小化圖像與轉換后的圖像之間的距離，使預測不受小轉換的影響。

互信息(MI)

MI定義為聯合分布和邊緣分布[8]之間的Kullback Leiber (KL)散度。

熵最小化(EntMin)

Grandvalet和Bengio提出通過最小化熵[15]來提高半監督學習的輸出預測。

Overclustering

過度聚類在減少監督的情況下是有益的，因為神經網絡可以自行決定如何分割數據。這種分離在有噪聲的數據中或在中間類被隨機分為相鄰類的情況下是有用的。

Pseudo-Labels

一種估計未知數據標簽的簡單方法是偽標簽

3. 圖像分類模型

3.1 半監督學習

 四種選擇的半監督方法的圖解——使用的方法在每張圖像下面給出。輸入在左邊的藍色方框中給出。在右側提供了該方法的說明。一般來說，這個過程是自上而下組織的。首先，輸入圖像經過無或兩個不同的隨機變換預處理。自動增廣[9]是一種特殊的增廣技術。下面的神經網絡使用這些預處理圖像(x, y)作為輸入。損失的計算(虛線)對于每種方法都是不同的，但是共享公共部分。所有的方法都使用了標記和預測分布之間的交叉熵(CE)。所有的方法還使用了不同預測輸出分布(Pf(x)， Pf(y))之間的一致性正則化。

3.2 自監督學習

四種選擇的自我監督方法的圖解——使用的方法在每張圖像下面給出。輸入在左邊的紅色方框中給出。在右側提供了該方法的說明。微調部分不包括在內。一般來說，這個過程是自上而下組織的。首先，對輸入圖像進行一兩次隨機變換預處理或分割。下面的神經網絡使用這些預處理圖像(x, y)作為輸入。損失的計算(虛線)對于每種方法都是不同的。AMDIM和CPC使用網絡的內部元素來計算損失。DeepCluster和IIC使用預測的輸出分布(Pf(x)、Pf(y))來計算損耗

3.3 21種圖像分類方法比較

21種圖像分類方法及其使用技術的概述——在左側，第3節中回顧的方法按學習策略排序。第一行列出了在2.2小節中討論過的可能的技術。根據是否可以使用帶標簽的數據，將這些技術分為無監督技術和有監督技術。技術的縮寫也在第2.2小節中給出。交叉熵(Cross-entropy, CE)將CE的使用描述為訓練損失的一部分。微調(FT)描述了交叉熵在初始訓練后(例如在一個借口任務中)對新標簽的使用。(X)指該技術不是直接使用，而是間接使用。個別的解釋由所指示的數字給出。1 - MixMatch通過銳化預測[3]，隱式地實現了熵最小化。2 - UDA預測用于過濾無監督數據的偽標簽。3 -盡量減少相互信息的目的作為借口任務，例如視圖之間的[2]或層之間的[17]。4 -信息的丟失使相互信息間接[43]最大化。5 - Deep Cluster使用K-Means計算偽標簽，以優化分配為借口任務。6 - DAC使用元素之間的余弦距離來估計相似和不相似的項。可以說DAC為相似性問題創建了偽標簽。

4. 實驗比較結果

報告準確度的概述——第一列說明使用的方法。對于監督基線，我們使用了最好的報告結果，作為其他方法的基線。原始論文在準確度后的括號內。第二列給出了體系結構及其參考。第三列是預印本的出版年份或發行年份。最后四列報告了各自數據集的最高準確度分數%。

5 結論

在本文中，我們概述了半監督、自監督和非監督技術。我們用21種不同的方法分析了它們的異同和組合。這項分析確定了幾個趨勢和可能的研究領域。

我們分析了不同學習策略(半監督學習策略、自監督學習策略和無監督學習策略)的定義，以及這些學習策略中的常用技術。我們展示了這些方法一般是如何工作的，它們使用哪些技術，以及它們可以被歸類為哪種策略。盡管由于不同的體系結構和實現而難以比較這些方法的性能，但我們確定了三個主要趨勢。

ILSVRC-2012的前5名正確率超過90%，只有10%的標簽表明半監督方法適用于現實問題。然而，像類別不平衡這樣的問題并沒有被考慮。未來的研究必須解決這些問題。

監督和半監督或自監督方法之間的性能差距正在縮小。有一個數據集甚至超過了30%。獲得可與全監督學習相比的結果的標簽數量正在減少。未來的研究可以進一步減少所需標簽的數量。我們注意到，隨著時間的推移，非監督方法的使用越來越少。這兩個結論使我們認為，無監督方法在未來的現實世界中對圖像分類將失去意義。

我們的結論是，半監督和自監督學習策略主要使用一套不同的技術。通常，這兩種策略都使用不同技術的組合，但是這些技術中很少有重疊。S4L是目前提出的唯一一種消除這種分離的方法。我們確定了不同技術的組合有利于整體性能的趨勢。結合技術之間的微小重疊，我們確定了未來可能的研究機會。

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論文題目： Self-training with Noisy Student improves ImageNet classification

論文摘要： 我們提出了一種簡單的自我訓練方法，在ImageNet上達到87.4%的top-1精度，比目前最先進的需要3.5B弱標記Instagram圖像的模型好1.0%。在穩健性測試集上，它將imagnet-A的最高精度從16.6%提高到74.2%，將imagnet-C的平均損壞誤差從45.7降低到31.2，并將imagnet-P的平均翻轉率從27.8降低到16.1。為了達到這一目的，我們首先在標注的ImageNet圖像上訓練了一個EfficientNet模型，然后用這個模型作為老師在3億無標簽圖像上生成偽標簽。然后又訓練了一個更大的EfficientNet作為學生student模型，使用的數據則是正確標注圖像和偽標注圖像的混合數據。這一過程不斷迭代，每個新的學生模型作為下一輪的老師模型。在偽標簽的生成過程中，老師模型不受噪聲干擾，所以生成的偽標注會盡可能逼真。但是在學生模型的學習過程中，我們對數據加入了噪聲，使用了諸如數據增強、dropout、隨機深度等方法，使得學生模型在從偽標簽訓練的過程中更加艱難。

作者簡介：

Quoc V. Le，谷歌研究科學家，斯坦福大學計算機科學系人工智能實驗室博士生。 Qizhe Xie，卡內基梅隆大學機器學習系博士研究生，感興趣的方向：深度學習、自然語言處理、計算機視覺。等