卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)長尾數(shù)據(jù)集識別的技巧包

來源丨AI公園

摘要：目前，在長尾分布的數(shù)據(jù)集上，在數(shù)據(jù)極端不均衡的情況下，使用復(fù)雜的模式（元學(xué)習(xí)）的方法取得了很大的進(jìn)展。除了這些復(fù)雜的方法，在訓(xùn)練時的簡單的調(diào)整也有一些貢獻(xiàn)。這些調(diào)整，也就是tricks，很小但是很有效，比如調(diào)整數(shù)據(jù)分布或者損失函數(shù)。但是，tricks之間也會有沖突。如果使用的不恰當(dāng)，會適得其反。然而，如何使用這些tricks并沒有給出科學(xué)的引導(dǎo)。本文中，我們首先收集了這些已有的tricks，并做了很多的實(shí)驗(yàn)，給出了很細(xì)節(jié)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，并得到了這些tricks的組合效果。我們還基于類別激活圖提出了一種新的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，可以很友好的和重采樣方法組合使用，并取得了很好的效果。通過將這些tricks科學(xué)的組合在一起，我們的效果超過了當(dāng)前的SOTA。

代碼：https://github.com/zhangyongshun/BagofTricks-LT

最近，長尾識別持續(xù)引起關(guān)注，產(chǎn)生了很多不同的方法，這些方法屬于不同的范式，度量學(xué)習(xí)，元學(xué)習(xí)和知識遷移。盡管這些方法在長尾數(shù)據(jù)集上取得了穩(wěn)定的精度的提升，但是要么對于超參數(shù)非常的敏感，要么訓(xùn)練過程非常的復(fù)雜，而且，在現(xiàn)實(shí)場景中很難用起來。除去這些方法，長尾數(shù)據(jù)集的識別中還有一些tricks，這些tricks非常簡單，只是對原始的方法做很小的修改，比如修改一下?lián)p失函數(shù)，修改一些采樣策略，但是會對結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。但是，這些tricks在使用的時候容易相互影響。比如說，重采樣和重加權(quán)是兩個常用的tricks，重采樣的目的是生成均衡的數(shù)據(jù)集，重加權(quán)的目的是針對類別的概率對類別進(jìn)行反向的加權(quán)。但是兩者一起使用的時候，可能會反而效果變得更差。

因此，在使用這些tricks的時候，我們需要知道，哪些是可以組合在一起使用的，哪些可能會相互影響。本文中，我們關(guān)注哪些常用的，容易部署的，超參數(shù)不敏感的tricks。這些tricks分為4大類，重加權(quán)，重采樣，mixup訓(xùn)練，2階段訓(xùn)練。特別是我們將mixup訓(xùn)練加到了長尾識別的tricks中，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)mixup訓(xùn)練和重采樣組合起來可以得到更好的效果。在每種tricks大類中，我們都介紹一些tricks，并在長尾數(shù)據(jù)集中進(jìn)行了結(jié)果的對比。更進(jìn)一步，為了克服已有的重采樣方法的缺乏可區(qū)分信息的缺點(diǎn)，我們基于類激活圖（CAM）提出了一種新的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，這是一種兩階段的訓(xùn)練方法，通過變換前景但是保持背景不變來生成具有可區(qū)分特征的圖像。這個方法可以很方便的和已有的重采樣方法組合，并取得非常好的效果，我們稱之為“CAM-based sampling”。我們還探索了不同的大類的tricks之間的的沖突，并找到了tricks的最佳組合。在這三個數(shù)據(jù)集上的最優(yōu)結(jié)果見表1。

我們這個工作的主要貢獻(xiàn)如下：

• 我們綜合探索了已有的簡單的，參數(shù)不敏感的，長尾相關(guān)的tricks，并為以后的研究提供了一個實(shí)用的指南。
• 我們提出了一個新的CAM-based采樣方法，為2階段訓(xùn)練方法定制，很簡單但是很有效。
• 我們進(jìn)行了很豐富的實(shí)驗(yàn)，找到了最佳的tricks的組合。我們的方法在4個長尾數(shù)據(jù)集上都取得了SOTA的效果。

數(shù)據(jù)集

長尾 CIFAR 這是長尾分布版本的CIFAR-10和CIFAR-100。和原始的CIFAR數(shù)據(jù)集具有相同的類別，但是，每個類別的訓(xùn)練樣本的數(shù)量是指數(shù)遞減的， ，其中t是類別的索引，是訓(xùn)練圖像的原始數(shù)量，。測試集保持不變。長尾CIFAR數(shù)據(jù)集的不均衡因子定義為最多樣本數(shù)量類別的樣本數(shù)除以最小樣本數(shù)量類別的樣本數(shù)。在文章中，常用的不均衡因子為50和100，圖像總數(shù)為12000張左右。

iNaturalist 2018 這個數(shù)據(jù)集是一個大規(guī)模的真實(shí)世界的數(shù)據(jù)集，類別極度不均衡，包含437513張圖像，8142個類別，除了不均衡的問題，還有細(xì)粒度的問題。

長尾ImageNet 這個數(shù)據(jù)集是由原始的ImageNet2012經(jīng)過采樣得到的，最多的類別1280張圖，最少的5張圖。

基線設(shè)置

主干 我們使用了殘差網(wǎng)絡(luò)作為主干。具體來說，我們在長尾CIFAR和iNaturalist上分別使用了ResNet-32和ResNet-50，在ImageNet-LT上使用了ResNet-10。

數(shù)據(jù)增強(qiáng) 對于CIFAR數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練時，每張圖每邊填充4個像素，然后隨機(jī)裁剪出一個32x32的區(qū)域。裁剪出的區(qū)域用0.5的概率水平翻轉(zhuǎn)，然后進(jìn)行圖像的歸一化。驗(yàn)證時，每張圖保持長寬比將短邊縮放到36像素。然后，從中心裁剪出32x32的區(qū)域做歸一化后進(jìn)行訓(xùn)練。

對于iNaturalist和ImageNet-LT，在訓(xùn)練時我們使用縮放和長寬比的數(shù)據(jù)擴(kuò)充，然后得到一個224x224的隨機(jī)裁剪的區(qū)域，并隨機(jī)水平翻轉(zhuǎn)。驗(yàn)證的時候，我們將保持比例將短邊縮放為256，然后裁剪224x224的中心區(qū)域。

訓(xùn)練細(xì)節(jié) 所有的主干都是從頭進(jìn)行訓(xùn)練。對于CIFAR數(shù)據(jù)集，我們使用sgd，動量0.9，權(quán)值衰減，訓(xùn)練輪數(shù)200輪，batch size為128。初始學(xué)習(xí)率為0.1，在160輪和180輪除以100。前5輪使用warmup。

對于iNaturalist和ImageNet-LT，我們的batch size為512，訓(xùn)練輪數(shù)為90，初始學(xué)習(xí)率為0.2，分別在30輪，60輪，80輪除以10，不使用warmup，使用sgd優(yōu)化器，動量0.9，權(quán)值衰減為。

基線的訓(xùn)練結(jié)果見表2，

我們將所有的tricks分為4大類：重加權(quán)，重采樣，mixup訓(xùn)練和兩階段訓(xùn)練。我們認(rèn)為mixup訓(xùn)練是一種長尾分布相關(guān)的trick，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)mixup訓(xùn)練在長尾識別上能得到很好的效果，特別是和重采樣組合起來的的時候。對于每個大類的trick，我們介紹了最常使用的tirck并比較了準(zhǔn)確率。

另外，我們還提出了一種簡單有效的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，為兩階段訓(xùn)練定制。我們提出的方法基于類激活圖（CAM），可以非常方便的集成到重采樣方法中成為“CAM-based sampling”。

重加權(quán)方法

cost-sensitive重加權(quán)方法是處理長尾問題的常見方法。這些方法引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)將更多的注意力放在少數(shù)類別中，通過對不同的類別設(shè)置不同的權(quán)重來實(shí)現(xiàn)。

我們一般作為基線使用的Softmax交叉熵?fù)p失定義如下：

已有的重加權(quán)方法

我們回顧了常用的重加權(quán)方法，包括cost-sensitive交叉熵?fù)p失，focal loss以及class-balanced loss方法。

• cost-sensitive交叉熵?fù)p失定義：

• Focal loss在sigmoid中增加了一個調(diào)制****引子，著重訓(xùn)練困難樣本：

• Class-balanced loss考慮了不同類別的真實(shí)數(shù)量，稱為有效數(shù)量，而不是數(shù)據(jù)集里的名義上的數(shù)量。使用有效數(shù)量的理論，類別均衡的focal loss和類別均衡的softmax交叉熵loss定義為：

這里，γ和β都是超參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們在長尾CIFAR數(shù)據(jù)集上評估了重加權(quán)方法，見表3，我們發(fā)現(xiàn)重加權(quán)在CIFAR-10-LT上能得到更小測錯誤率，但是在CIFAR-100-LT上變差了。這表明直接用重加權(quán)并不是理想的選擇，特別是類別數(shù)增加不平衡度增加的時候。

后面我們會介紹一種兩階段的訓(xùn)練長尾識別的方法，應(yīng)用重加權(quán)能取得很好的效果。

重采樣方法

重采樣是用來處理長尾問題的常見方法，試圖通過采樣數(shù)據(jù)來達(dá)到類別的均衡分布。

已有的重采樣方法

• 隨機(jī)過采樣，從少樣本類中隨機(jī)重復(fù)訓(xùn)練樣本，該方法很有效，但是容易導(dǎo)致過擬合。
• 隨機(jī)欠采樣，從多數(shù)類中隨機(jī)去掉訓(xùn)練樣本，直到所有類別均衡，在某些場景上比隨機(jī)過采樣效果更好。
• 類別均衡采樣，使得每個類別有相同的采樣概率。每類采樣概率如下：

• 平方根采樣，在式（7）中，q=1/2，即為平方根采樣，這樣得到的是略微不均衡的數(shù)據(jù)集。
• 漸進(jìn)均衡采樣，逐漸的改變采樣概率，逼近均衡采樣。采樣概率的計(jì)算如下，t為當(dāng)前epochs，T為總epochs數(shù)：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表4顯示了不同的采樣方法的結(jié)果，可以看到，直接使用重采樣的方法，提升很少。

Mixup 訓(xùn)練

Mixup 訓(xùn)練可以看成是一種數(shù)據(jù)增強(qiáng)的trick，用來對CNN做正則化。我們發(fā)現(xiàn)，Mixup訓(xùn)練在長尾數(shù)據(jù)集識別中和重采樣結(jié)合可以取得很好的效果。

已有的mixup方法 我們介紹了2種mixup的方法：input mixup和manifold mixup。

• input mixup是一種減緩對抗擾動的有效方法。具體來說，新的樣本由2個隨機(jī)采樣的樣本線性加權(quán)組合而成。其中，λ是從beta分布中采樣得到。

• manifold mixup讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于隱表示的插值的預(yù)測不那么確定，使用語義插值作為額外的訓(xùn)練信號：

其中和是兩個隨機(jī)采樣樣本的第k層的中間輸出，λ是從beta分布中采樣得到，在實(shí)驗(yàn)中，我們只在一個層上進(jìn)行mixup。

mixup訓(xùn)練之后的微調(diào) 在mixup訓(xùn)練之后，將mixup去除掉，再訓(xùn)練幾個epochs可以進(jìn)一步提升效果。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們也是先用mixup訓(xùn)練，再去掉mixup后微調(diào)幾個epochs。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果 mixup方法的結(jié)果如圖5，我們并沒有嘗試所有的超參數(shù)α，我們發(fā)現(xiàn)1）input mixup和manifold mixup都能相比baseline得到更好的結(jié)果，2）當(dāng)α為1的時候并且mixup的位置是池化層的時候，input mixup和manifold mixup的結(jié)果相當(dāng)。

mixup訓(xùn)練后再微調(diào)的結(jié)果見表6，我們發(fā)現(xiàn)input mixup之后的微調(diào)可以進(jìn)一步提升效果，但是manifold mixup之后再微調(diào)反而變差了。

二階段訓(xùn)練過程

2階段訓(xùn)練包括不均衡訓(xùn)練和均衡微調(diào)。這部分，我們聚焦不同方法的均衡微調(diào)，我們首先介紹已有的微調(diào)方法，然后介紹我們的CAM-based采樣方法。

不均衡訓(xùn)練之后的均衡微調(diào) CNN在不均衡數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練，不適用任何的重加權(quán)和重采樣的方法，能夠?qū)W到好的特征表示，但是識別準(zhǔn)確率很差。對這個網(wǎng)絡(luò)在均衡的子數(shù)據(jù)集上進(jìn)行微調(diào)，可以使得學(xué)習(xí)到的特征遷移到均衡的所有類別上。這些微調(diào)方法可以分為2大類：推遲重采樣（DRS）和推遲重加權(quán)（DRW）。

• DRS在第一階段使用原始的訓(xùn)練策略訓(xùn)練，然后在第二階段使用重采樣，再進(jìn)行微調(diào)。為了在微調(diào)的時候得到均衡的數(shù)據(jù)集，需要使用重采樣方法，我們提出了一種簡單有效的生成式采樣方法叫做“CAM-based采樣”。
• DWR在第一階段使用原始的訓(xùn)練策略訓(xùn)練，然后在第二階段使用重加權(quán)，重加權(quán)的方法我們使用之前介紹過的“重加權(quán)”方法。

用提出的CAM-based采樣方法進(jìn)行DRS  已有的重采樣方法是簡單的重復(fù)或者丟棄數(shù)據(jù)集中的一些數(shù)據(jù)來達(dá)到均衡的效果，這種方法提升有限。為了能夠生成具有可區(qū)分性的特征，受到特征激活圖的啟發(fā)，我們提出了CAM-based采樣方法，相對于已有的方法顯示了顯著的準(zhǔn)確率的提升。

如圖1所示，我們先使用重采樣得到均衡的樣本圖像，對于每個樣本圖像，我們使用第一階段訓(xùn)練出來的模型基于label和全連接層的權(quán)重得到CAM，基于這個CAM的均值，前景和背景是分開的。最后，我們保持背景不變，對前景進(jìn)行變換，這些變換包括水平翻轉(zhuǎn)，平移，旋轉(zhuǎn)，縮放，我們?yōu)槊總€圖像隨機(jī)選取一種變換。

具體來說，我們分別將CAM和隨機(jī)過采樣，隨機(jī)降采樣，類別均衡采樣，均方根采樣，漸進(jìn)式采樣相結(jié)合。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果 重采樣的結(jié)果見表7，我們發(fā)現(xiàn)：1）相比于直接進(jìn)行重采樣，DRS重采樣可以得到更好的效果，2）CAM-based重采樣方法可以得到顯著的效果提升，3）在CAM-based重采樣方法中，CAM-based均衡采樣取得了最佳結(jié)果，4）ImageTrans均衡采樣的結(jié)果證明了CAM-based均衡采樣的有效性。

表8顯示了不同的重加權(quán)方法的結(jié)果，從中我們可以發(fā)現(xiàn)，1）相比于直接進(jìn)行重加權(quán)，DRW能夠取得更好的結(jié)果，2）DRW使用CS_CE能得到更好的結(jié)果。

這里，我們首先回顧了每個tricks大類里面互補(bǔ)的tricks，我們將這些tricks和其他的最佳tricks組合起來，目的是得到最優(yōu)的tricks的組合。更進(jìn)一步，我們增量應(yīng)用這些tricks，顯示了互補(bǔ)的效果。

在兩階段訓(xùn)練章節(jié)中顯示，最佳的兩階段訓(xùn)練是CAM-based過采樣DRS和使用CS_CE的DRW，但是，DRS和DRW都是兩階段的tricks，我們需要更多的實(shí)驗(yàn)來來探索最佳的策略。在mixup訓(xùn)練中，input mixup和manifold mixup能得到相當(dāng)?shù)男Ч?，我們需要更多的?shí)驗(yàn)來探索和其他tricks組合在一起的效果。

從實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)了最優(yōu)的組合是input mixup，CAM-based均衡采樣DRS，以及mixup訓(xùn)練之后的finetune。

為了證明我們這個tricks組合的有效性，我們在長尾數(shù)據(jù)集上增量的應(yīng)用這些tricks，結(jié)果見表11，我們發(fā)現(xiàn)：1）把input mixup，使用CAM-based均衡采樣的DRS，mixup訓(xùn)練之后的finetune，這些疊加起來，效果穩(wěn)步提升。2）在三個數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)說明了我們這個方法的有效性。3）使用了我們的方法，在3個數(shù)據(jù)集上都能降低10點(diǎn)左右的錯誤率。

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論文鏈接：Bag of Tricks for Long-Tailed Visual Recognition with Deep Convolutional Neural Networks (nju.edu.cn)

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