拉开你和别人的距离，只差 Contrastive Learning 这一步

2022-04-08 18:08:43 浏览数 (1)

前言

在上一篇自监督学习文章中，我们介绍了基于代理任务 (pretext task) 的自监督学习算法，各类任务均取得了一定的效果，然而并没有相对统一且效果令人满意的自监督学习范式。随着 MoCo 横空出世，视觉自监督领域掀起了一股对比学习的浪潮。

简单来说，对比学习的思路就是：一张图片，经过不同的数据增强，被神经网络所提取的特征，仍应具有高度的一致性。本篇文章我们将分析 7 篇主流论文，带大家一起梳理对比学习的发展脉络。

MoCo v1

论文链接：

https://arxiv.org/abs/1911.05722

其实 MoCo 并不是第一篇提出对比学习概念的文章，在 MoCo 之前也有一些算法是基于某种形式的对比损失函数，例如 NPID、CPC、CMC 等，但是 MoCo 这篇论文则将之前的对比学习总结成字典查找的框架，再基于此提出 MoCo。

作者提出了 Momentum Contrast 的概念，另外为无监督对比损失函数构建了足够大且具有高度一致性的字典，并通过队列 (queue) 的数据结构进行维护，下图即为 MoCo 论文思路的示意图，动量编码器以及通过队列存储特征向量，便是该文章两大最主要的特点了。

结合上图，在前向计算时，对每个 batch 数据施加两组不同的数据增强，从而得到两组数据，作为模型的输入，其中一组为 x_query，通过 q_encoder 获得对应的特征向量 q；另一组为 x_key ，通过 k_encoder (即上图的 momentum encoder) 获得对应的特征向量 k。这两组 q，k 则作为正样本对进行损失函数的计算。而之前存在 queue 中的所有特征向量 k 和本次计算所得的 q 则作为负样本对进行损失函数计算，两者结合便是 MoCo 算法训练所需要的损失函数。在前向计算最后，需要将本次计算的 k 送入队列，若队列已满，则最旧的特征向量出列。

在反向计算时，q_encoder 通过梯度反向传播进行更新，但 k_encoder 则是根据 q_encoder 采用动量更新参数的模式进行更新，以此来保证模型一致性，这也就是动量编码器命名的由来，公式如下：

其中 theta_q 和 theta_k 代表模型 q_encoder 和 k_encoder 的参数，m 为动量参数。

另外，MoCo 通过队列储存特征向量的方式，避免在训练过程中输入大 batch size，减少了硬件资源的需求和训练时间。而且由于队列的长度为 65536（算法默认设置），可以提供大量的负样本进行对比学习；且队列 First Input First Output 的原则，可以及时更新特征向量，删除过于老旧的特征向量，一定程度上保证队列的一致性和训练的稳定性。这也是一个非常巧妙的设计。

MoCo 在自监督领域中取得了 SOTA 的结果，视觉自监督领域也随之火爆了起来。

SimCLR

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2002.05709

在 MoCo 论文发布之后，很多研究者都投入到了对比学习的研究当中来，其中 Google 的 SimCLR 采用非常简单的 End-to-End 的训练框架取得了 SOTA 的结果。下图（上）为算法逻辑结构图，下图（下）为监督学习和各类自监督算法在 ImageNet-1k 上的结果比较。

SimCLR 提出四大结论：

  • 对比学习中，强大的数据增强至关重要，相比于有监督学习，对比学习从中受益更多
  • 在网络学习到的特征和损失函数计算之间，添加可学习的非线性层有助于特征的学习
  • 归一化的 embeddings 和合适的 temperature 参数有助于特征表示的学习
  • 越大的 batch size 和越久的训练时间有助于对比学习获得更好的结果，另外和监督学习一样，大网络可以取得更好的结果

以上几点，论文都做了相当详细的实验验证。以数据增强为例，本文共对接近 10 种增强方式进行实验，最终选择了 random crop (包括 flip 和 resize)、color distortion 和 Gaussian blur 进行训练。另外，针对不同大小的 batch size 和训练时长，也进行了充分地实验，结果如下图：

和 MoCo 不同的是，SimCLR 没有使用动量更新也没有队列来储存特征向量，它通过大 batch size 来构建负样本，网络就是普通的 ResNet MLP，通过梯度反向传播来更新，和普通的分类网络训练流程并无二致，正如标题所说，‘A Simple Framework’ 名副其实。

SimCLR 针对各种技巧做了非常详尽的实验，并进行总结，提出了一个简单而有效的框架，为后续对比学习的研究打下了夯实的基础，各种技巧也都被多篇论文所借鉴学习。

MoCo v2

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2003.04297

这篇论文非常简单，只有短短两页，其实可以说是一篇技术报告。MoCo v2 验证了 SimCLR 中所提出的两个设计，相比 MoCo v1，其结果提升非常可观，甚至超过了 SimCLR 的结果，而且训练时间更快，所占资源更少。

如上图（左）所示，在 SimCLR 中所提出的更加强大的数据增强以及添加 MLP 非线性层可以非常有效地提升特征学习的质量。随着 SimCLR 和 MoCo v2 的发表，视觉自监督学习的结果总算是接近了有监督学习的水平。

BYOL

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2006.07733

BYOL 这篇论文在对比学习框架的训练中，摒弃了负样本，而仅依靠正样本进行训练，也取得 SOTA 结果。主要贡献有以下三点：

  • 提出 BYOL，摒弃负样本
  • BYOL 所学习到的特征表达，在半监督和迁移学习的基准测试上也达到 SOTA
  • 证明了 BYOL 对 batch size 的变化容忍度更高

算法框架如上图，相比于之前的算法，BYOL 依然采用双网络，命名为 online 和 target，前向计算和之前算法差别不大，不过在 online 网络中，增加了 predictor，并不是完全对称。另外在动量更新 target 网络时，动量参数也会随着训练的进行而更新。损失函数则是简单的 MSE，只需要对正样本进行距离计算，而没有负样本之间的计算。

在之前对比学习中，负样本作为一个必须部分，且都需要给定足够多的负样本，对比学习才能达到更好的效果，以此来防止模型学到捷径解，从而避免模型坍缩；而在 BYOL 中则摒弃了负样本，通过非对称结构以及动量更新方式来避免模型坍缩，并且仍然达到了 SOTA 结果，这也是这篇论文当时引起剧烈讨论的因素之一。

SwAV

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2006.09882

SwAV 为 Swapping Assignments between multiple Views 的缩写，这篇论文和上述的 BYOL 是同期工作，并且也取得了 SOTA 结果。主要贡献有：

  • 提出一种在线聚类损失，不论大小 bacth size，不用大型队列和动量编码器，也可有效训练
  • 提出 multi-crop 数据增强策略，增加输入图片的视角

上图（左）为对比学习的抽象框架，而 SwAV 的算法框架和之前方法最大的不同点在于构建了一个名为 C 的聚类中心，将自监督学习和聚类方法相结合，利用上图（右）编码器 f 的输出 z1 和聚类中心向量 c 点乘的结果，可以得到相似度矩阵，以此来预测 Q2（Q1 和 Q2 则是通过 sinkhorn 算法得到），反之亦然，以此达到交换预测的效果。

采用聚类的方法，也有一些好处：一是通过和聚类中心进行对比，可以降低对负样本的需求；二是聚类中心有一定含义，而随机抽样反而可能会抽出正样本或者类别也不均衡。本文作者其实也是 Deep Cluster 的作者，这篇论文也是无监督领域非常经典的论文之一。

另外，本文的第二点贡献 multi-crop 的数据增强策略，对最终的结果影响很大，实验结果如上图，如果移除 multi-crop，则最终结果和 MoCo v2 类似，不过该数据增强方法也是一个即插即用性的方法，其他对比学习框架下的算法也具有提升学习效果的作用。

SwAV 提出了一种新的思路，结合聚类和对比学习进行训练，另外新的 multi-crop 数据增强策略也非常有效，值得后续算法学习应用。

SimSiam

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2011.10566

SimSiam 这篇论文则是对上述多篇论文进行了总结，并且化繁为简：

  • 不使用负样本对
  • 不使用大 batch size
  • 不需要动量编码器

在不使用上述技巧的情况下，仍然能学到优秀的特征表达，算法的前向过程和之前算法类似，并且也是采用简单的 MSE 损失函数。作者在对比实验后提出，stop-gradient 才是避免模型坍缩的关键，如果不使用 stop gradient，那么不论如何变换模型，都会得到捷径解，即模型输出常数，损失函数达到理论的最小值。作者提出假设， SimSiam 的实现是类 EM 算法，而 stop-gradient 的存在使得算法可以按照 EM 的思路进行迭代从而避免模型坍缩，在这我们不做详细赘述，可以阅读原论文的假设和推导。

作者在 SimSiam 这篇论文中，对前面的一些工作都做了总结，和之前的一些 SOTA 算法做了对比：

  • 相比于 SimCLR，一定程度上可认为是 SimCLR 去掉了负样本
  • 相比于 SwAV，一定程度上可认为是 SwAV 去掉了在线聚类
  • 相比于 BYOL，一定程度上可认为是 BYOL 去掉了动量编码器

并且，对比之前几篇非常有影响力的工作在 ImageNet-1k 上的结果，SimSiam 对于特征的学习非常迅速，但是在长时训练下的提升不如 BYOL 等算法。

SimSiam 是一篇非常全面且细致的论文，针对对比学习中的所提出的各类方法，做了详尽的实验，应用了最少最有效的技巧，获得了 SOTA 的结果。

MoCo v3

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2104.02057

随着 2021 年 ViT 网络的爆火，如何将对比学习的训练范式和 ViT 的网络主干结合也是大家经常在思考的问题。MoCo v3 在原先工作的基础上，改动了一些训练方式：

  • 弃用了 queue 队列进行 key 的储存，并且采用大 batch (4096) 进行训练
  • 增加了 prediction head，所以 q_encoder 和 k_encoder 不再完全对称
  • 采用了对称损失函数

通过以上的改变，基于 ResNet50 的网络主干的结果也有一定提升，结果如下表所示：

在完成基于 ResNet50 的实验之后，论文将重心移到了对比学习 ViT 的实验上，实验中发现这种组合形式会导致训练过程不稳定，在大 batch 情况下尤为明显，这个现象会导致最终的训练结果不尽如人意，在 batch size 超过一定程度后，模型准确率反而会下降。

于是，作者团队对 batch size、learning rate、optimizer 都进行实验，但是准确率突然下降的问题并没有得到解决，最后在监督梯度时发现，梯度的突然增大、出现波峰，会导致准确率的突然下降，并且梯度变化的这个现象在第一层中会先于最后一层出现，如下图。

所以，MoCo v3 提出 trick，在训练过程中，可以冻结 ViT 中的 patch projection 层，即随机初始化后不进行参数学习，以此来缓解该问题，采用该 trick 后，可以看到训练曲线恢复正常（如下图上），并且该方法对于 ViT SimCLR 和 ViT BYOL 均可以缓解准确率突然下降的问题（如下图下）。但是作者认为该 trick 并没有完全解决问题，如果学习率过大的话，模型训练仍然会变得不稳定，且第一层并不是训练不稳定的关键因素，所有层都与之相关，不过在文章中并没有更加详细的解释。

MoCo v3 这篇论文实验思路清晰，且一定程度上解决了在结合 ViT 主干和对比学习框架过程中所遇到的问题，这还是非常值得我们去学习的。

结语✦

通过上述论文，我们可以了解到对比学习的一个整体发展脉络，研究者们希望通过简单且有效的框架来解决视觉自监督学习所遇到的各种问题。除了以上几篇，也有其他非常优秀的论文，例如 BarlowTwins、DINO ，之后有机会再跟大家一一介绍。

本期自监督学习算法内容就先到这里啦，如果大家想要进行更深入地学习，可以借助我们 MMSelfSup 的算法库，非常欢迎大家来使用，Star 和 PR ！

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