LearnFromPapers系列——用模型“想象”出来的target来训练，可以提高分类的效果！
作者：郭必扬时间：2020年最后一天
前言：今天是2020年最后一天，这篇文章也是我的SimpleAI公众号2020年的最后一篇推文，感谢大家一直以来的陪伴和支持，希望SimpleAI曾带给各位可爱的读者们一点点的收获吧~这么特殊的一天，我也来介绍一篇特殊的论文，那就是今年我和组里几位老师合作的一篇AAAI论文：“Label Confusion Learning to Enhance Text Classification Models”。这篇文章的主要思想是通过构造一个“标签混淆模型”来实时地“想象”一个比one-hot更好的标签分布，从而使得各种深度学习模型（LSTM、CNN、BERT）在分类问题上都能得到更好的效果。个人感觉，还是有、意思的。
- 论文标题：Label Confusion Learning to Enhance Text Classification Models
- 会议/期刊：AAAI-21
- 团队：上海财经大学 信息管理与工程学院 AI Lab
一、主要贡献
本文的主要贡献有这么几点：
- 构造了一个插件——"Label Confusion Model(LCM)"，可以在模型训练的时候实时计算样本和标签间的关系，从而生成一个标签分布，作为训练的target，实验证明，这个新的target比one-hot标签更好；
- 这个插件不需要任何外部的知识，也仅仅在训练的时候才需要，不会增加模型预测时的时间，不改变原模型的结构。所以LCM的应用范围很广；
- 实验发现LCM还具有出色的抗噪性和抗干扰能力，对于有错标的数据集，或者标签间相似度很高的数据集，有更好的表现。
二、问题背景、相关工作
1. 用one-hot来训练不够好
本文主要是从文本分类的角度出发的，但文本分类和图像分类实际上在训练模式上是类似的，基本都遵循这样的一个流程：
step 1. 一个深度网络（DNN，诸如LSTM、CNN、BERT等）来得到向量表示 step 2. 一个softmax分类器来输出预测的标签概率分布p step 3. 使用Cross-entropy来计算真实标签（one-hot表示）与p之间的损失，从而优化
这里使用cross-entropy loss（简称CE-loss）基本上成了大家训练模型的默认方法，但它实际上存在一些问题。下面我举个例子：
比如有一个六个类别的分类任务，CE-loss是如何计算当前某个预测概率p相对于y的损失呢：
可以看出，根据CE-loss的公式，只有y中为1的那一维度参与了loss的计算，其他的都忽略了。这样就会造成一些后果：
- 真实标签跟其他标签之间的关系被忽略了，很多有用的知识无法学到；比如：“鸟”和“飞机”本来也比较像，因此如果模型预测觉得二者更接近，那么应该给予更小的loss
- 倾向于让模型更加“武断”，成为一个“非黑即白”的模型，导致泛化性能差；
- 面对易混淆的分类任务、有噪音（误打标）的数据集时，更容易受影响
总之，这都是由one-hot的不合理表示造成的，因为one-hot只是对真实情况的一种简化。
2. 一些可能的解决办法
LDL：既然one-hot不合理，那我们就使用更合理的标签分布来训练嘛。比如下图所示：
如果我们能获取真实的标签分布来训练，那该多好啊。
这种使用标签的分布来学习模型的方法，称为LDL（Label Distribution Learning），东南大学耿新团队专门研究这个方面，大家可以去了解一下。
但是，真实的标签分布，往往很难获取，甚至不可获取，只能模拟。比如找很多人来投票，或者通过观察进行统计。比如在耿新他们最初的LDL论文中，提出了很多生物数据集，是通过实验观察来得到的标签分布。然而，大多数的现有的数据集，尤其是文本、图像分类，几乎都是one-hot的，所以LDL并无法直接使用。
Label Enhancement：Label Enhancement，标签增强技术，则是一类从通过样本特征空间来生成标签分布的方法，我在前面的论文解读中有介绍：“神奇的”标签增强技术（Label Enhancement），这些方法都很有趣。
然而，使用这些方法来训练模型，都比较麻烦，因为我们需要通过“两步走”来训练，第一步使用LE的方法来构造标签分布，第二步再使用标签分布来训练。
Loss Correction：面对one-hot可能带来的容易过拟合的问题，有研究提出了Label Smoothing方法：
label smoothing就是把原来的one-hot表示，在每一维上都添加了一个随机噪音。这是一种简单粗暴，但又十分有效的方法，目前已经使用在很多的图像分类模型中了。
这种方法，一定程度上，可以缓解模型过于武断的问题，也有一定的抗噪能力。但是单纯地添加随机噪音，也无法反映标签之间的关系，因此对模型的提升有限，甚至有欠拟合的风险。
当然还有一些其他的Loss Correction方法，可以参考我前面的一个介绍：样本混进了噪声怎么办？通过Loss分布把它们揪出来！。
三、我们的思想&模型设计
我们最终的目标，是能够使用更加合理的标签分布来代替one-hot分布训练模型，最好这个过程能够和模型的训练同步进行。
首先我们思考，一个合理的标签分布，应该有什么样的性质。
① 很自然地，标签分布应该可以反映标签之间的相似性。比方下面这个例子：
② 标签间的相似性是相对的，要根据具体的样本内容来看。比方下面这个例子，同样的标签，对于不同的句子，标签之间的相似度也是不一样的：
③ 构造得到的标签分布，在01化之后应该跟原one-hot表示相同。啥意思呢，就是我们不能构造出了一个标签分布，最大值对应的标签跟原本的one-hot标签还不一致，我们最终的标签分布，还是要以one-hot为标杆来构造。
根据上面的思考，我们这样来设计模型：
使用一个Label Encoder来学习各个label的表示，与input sample的向量表示计算相似度，从而得到一个反映标签之间的混淆/相似程度的分布。最后，使用该混淆分布来调整原来的one-hot分布，从而得到一个更好的标签分布。
设计出来的模型结构如图：
这个结构分两部分，左边是一个Basic Predictor，就是各种我们常用的分类模型。右边的则是LCM的模型。注意LCM是一个插件，所以左侧可以更换成任何深度学习模型。
Basic Predictor的过程可以用如下公式表达：
其中
就是输入的文本的通过Input Decoder得到的表示。
则是predicted label distribution(PLD)。
LCM的过程可以表达为：
其中
代表label通过Label Encoder得到的标签表示矩阵，
是标签和输入文本的相似度得到的标签混淆分布，
是真实的one-hot表示，二者通过一个超参数结合再归一化，得到最终的
，即模拟标签分布，simulated label distribution(SLD)。
最后，我们使用KL散度来计算loss：
总体来说还是比较简单的，很好复现，其实也存在更优的模型结构，我们还在探究。
四、实验&结果分析
1. Benchmark数据集上的测试
我们使用了2个中文数据集和3个英文数据集，在LSTM、CNN、BERT三种模型架构上进行测试，实验表明LCM可以在绝大多数情况下，提升主流模型的分类效果。
下面这个图展示了不同水平的α超参数对模型的影响：
从图中可以看出，不管α水平如何，LCM加成的模型，都可以显著提高收敛速度，最终的准确率也更高。针对不同的数据集特征，我们可以使用不同的α（比如数据集混淆程度大，可以使用较小的α），另外，论文中我们还介绍了在使用较小α的时候，可以使用early-stop策略来防止过拟合。
而下面这个图则展示了LCM确实可以学习到label之间的一些相似性关系，而且是从完全随机的初始状态开始学到的：
2. 难以区分的数据集（标签易混淆）
我们构造了几个“简单的”和“困难的”数据集，通过实验标签，LCM更适合那些容易混淆的数据集：
3. 有噪音的数据集
我们还测试了在不同噪音水平下的数据集上的效果，并跟Label Smoothing方法做了对比，发现是显著好于LS方法的。
下面这个图展示了另外一组更细致的实验结果：
4. 在图像分类上也有效果
最后，我们在图像任务上也简单测试了一下，发现也有效果：
五、总结
这篇文章的总体思路是简单清晰的，即通过一个Label Encoder来在训练中学习出label embedding，然后使用这个embedding跟input embedding通过相似度来逐渐构造出标签分布，由于这样的标签分布可以反映出标签跟样本、标签跟标签之间的关系，蕴含了比one-hot更多的有用信息，因此可以为分类模型带来性能的提升。
后记：这篇推文的标题中我称之为“想象”，是因为LCM是不依靠任何外部知识的，完全使用自己在训练模型中所使用的信息。如果说one-hot就是我们面对的残酷的现实，那么LCM则是想象出一个更加美好的目标，让模型往更美好的目标进发。曾经不知道在哪里看到这样一句话：“瞄准月亮，即便你没到达，你将置身星星之中。”度过了艰难的2020年，希望在2021年，无论现实多么残酷，我们依然能够心存美好的向往，依然能够鼓起向上攀登的勇气，依然能够努力、乐观地生活！最后，再次感谢SimpleAI的读者们，我们2021再见！
