監(jiān)督學(xué)習(xí)|機(jī)器學(xué)習(xí)|

集成學(xué)習(xí)|進(jìn)化計(jì)算|

非監(jiān)督學(xué)習(xí)| 半監(jiān)督學(xué)習(xí)|

自監(jiān)督學(xué)習(xí)|?無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)|

隨著人工智能、元宇宙、數(shù)據(jù)安全、可信隱私用計(jì)算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，自監(jiān)督學(xué)習(xí)脫穎而出，致力于解決數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、人工智能和邊緣計(jì)算等各個(gè)行業(yè)的問(wèn)題，為人們帶來(lái)極大便益。

自監(jiān)督學(xué)習(xí)是什么？

自監(jiān)督學(xué)習(xí)與監(jiān)督學(xué)習(xí)和非監(jiān)督學(xué)習(xí)的關(guān)系

自我監(jiān)督方法可以看作是一種特殊形式的具有監(jiān)督形式的非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，其中監(jiān)督是通過(guò)自我監(jiān)督任務(wù)而不是預(yù)設(shè)的先驗(yàn)知識(shí)誘發(fā)的。與完全不受監(jiān)督的設(shè)置相比，自監(jiān)督學(xué)習(xí)利用數(shù)據(jù)集本身的信息構(gòu)造偽標(biāo)簽。在表達(dá)學(xué)習(xí)中，自我監(jiān)督學(xué)習(xí)有很大的潛力取代完全監(jiān)督學(xué)習(xí)。人類(lèi)學(xué)習(xí)的本質(zhì)告訴我們，大型標(biāo)注數(shù)據(jù)集可能不是必需的，我們可以自發(fā)地從未標(biāo)注的數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)。更為現(xiàn)實(shí)的設(shè)置是使用少量帶注釋的數(shù)據(jù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)。這就是所謂的Few-shot Learning。

自監(jiān)督學(xué)習(xí)的主要流派

在自監(jiān)督學(xué)習(xí)中，如何自動(dòng)獲取偽標(biāo)簽非常重要。根據(jù)偽標(biāo)簽的不同類(lèi)型，將自監(jiān)督表示學(xué)習(xí)方法分為四種類(lèi)型:

基于數(shù)據(jù)生成(恢復(fù))的任務(wù)

基于數(shù)據(jù)變換的任務(wù)

基于多模態(tài)的任務(wù)

基于輔助信息的任務(wù)

簡(jiǎn)單介紹一下第一類(lèi)任務(wù)。事實(shí)上，所有非監(jiān)督方法都可以被視為第一類(lèi)自監(jiān)督任務(wù)。在文獻(xiàn)研究的過(guò)程中，非監(jiān)督學(xué)習(xí)和自監(jiān)督學(xué)習(xí)根本不存在界限。

所有非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，如數(shù)據(jù)降維(PCA:在減少數(shù)據(jù)維度的同時(shí)最大化的保留原有數(shù)據(jù)的方差)和數(shù)據(jù)擬合分類(lèi)(GMM:最大化高斯混合分布的似然)，本質(zhì)上都是為了得到一個(gè)好的數(shù)據(jù)表示，并希望能生成(恢復(fù))原始輸入。這也是目前很多自監(jiān)督學(xué)習(xí)方法賴(lài)以使用的監(jiān)督信息?；旧?，所有的encoder-decoder模型都將數(shù)據(jù)恢復(fù)視為訓(xùn)練損失。

圖片上色與視頻預(yù)測(cè)

什么是基于數(shù)據(jù)恢復(fù)的自監(jiān)督任務(wù)？

一. 數(shù)據(jù)生成任務(wù)

自監(jiān)督學(xué)習(xí)的出發(fā)點(diǎn)是考慮在缺少標(biāo)簽或者完全沒(méi)有標(biāo)簽的情況下，我們?nèi)匀豢梢詫W(xué)習(xí)到能夠表示原始圖片的良好意義的特征。那么什么樣的特質(zhì)是良好有意義的呢？在第一類(lèi)自監(jiān)督任務(wù)——數(shù)據(jù)恢復(fù)任務(wù)中，能夠通過(guò)學(xué)習(xí)到的特征來(lái)還原生成原始數(shù)據(jù)的特征是有良好意義的?？吹竭@里，大家都能聯(lián)想到自動(dòng)編碼器類(lèi)的模型，甚至更簡(jiǎn)單的PCA。事實(shí)上，幾乎所有的非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法都是基于這個(gè)原理。VAE現(xiàn)在非常流行的深代模式，甚至更熱的GAN都可以歸為這種方法。

GAN的核心是通過(guò)Discriminator去縮小Generator distribution和real distribution之間的距離。GAN的學(xué)習(xí)過(guò)程不需要人為進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)注，其監(jiān)督信號(hào)也即是優(yōu)化目標(biāo)就是使得上述對(duì)抗過(guò)程趨向平穩(wěn)。

以?xún)善唧w的paper為例，介紹數(shù)據(jù)恢復(fù)類(lèi)的自監(jiān)督任務(wù)如何操作實(shí)現(xiàn)。我們的重點(diǎn)依然是視覺(jué)問(wèn)題，這里分別介紹一篇圖片上色的文章和一篇視頻預(yù)測(cè)的文章。其余的領(lǐng)域比如NLP，其本質(zhì)是類(lèi)似的，在弄清楚了數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)之后，可以先做一些低級(jí)的照貓畫(huà)虎的工作。
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圖片顏色恢復(fù)

設(shè)計(jì)自監(jiān)督任務(wù)時(shí)，需要一些巧妙的思考。比如圖片的色彩恢復(fù)任務(wù)，我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集是一張張的彩色圖片。如果去掉顏色，作為感性思考者的我們，能否從黑白圖片所顯示的內(nèi)容中猜測(cè)出原始圖片的真實(shí)顏色？對(duì)于一個(gè)嬰兒來(lái)說(shuō)可能很難，但是對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，生活的經(jīng)驗(yàn)告訴我們瓢蟲(chóng)應(yīng)該是紅色的。我們?nèi)绾巫鲱A(yù)測(cè)？事實(shí)上，通過(guò)觀察大量的瓢蟲(chóng)，已經(jīng)在大腦中建立了一個(gè)從“瓢蟲(chóng)”到“紅色”的映射。

這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程擴(kuò)展到模型。給定黑白輸入，使用正確顏色的原始圖像作為學(xué)習(xí)標(biāo)簽，模型將嘗試?yán)斫庠己诎讏D像中的每個(gè)區(qū)域是什么，然后建立從什么到不同顏色的映射。

當(dāng)我們完成訓(xùn)練，模型的中間層feature map就得到以向量形式的類(lèi)似人腦對(duì)于“瓢蟲(chóng)”以及其他物體的記憶。

視頻預(yù)測(cè)

一般來(lái)說(shuō)，視覺(jué)問(wèn)題可以分為兩類(lèi):圖片和視頻。圖片數(shù)據(jù)可以認(rèn)為具有i.i.d特征，而視頻由多個(gè)圖片幀組成，可以認(rèn)為具有一定的Markov dependency。時(shí)序關(guān)系是他們最大的區(qū)別。比如，最簡(jiǎn)單的思路是利用CNN提取單個(gè)圖片的特征進(jìn)行圖像分類(lèi)，然后加入一個(gè)RNN或LSTM刻畫(huà)Markov Dependency，便可以應(yīng)用到視頻中。

視頻中幀與幀之間有時(shí)空連續(xù)性。同樣，利用幀與幀之間的連續(xù)性，當(dāng)看電影的時(shí)突然按下暫停，接下來(lái)幾秒鐘會(huì)發(fā)生什么，其實(shí)是可以預(yù)見(jiàn)的。

同樣，這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程也擴(kuò)展到了模型中。給定前一幀或前幾幀的情況下，使用后續(xù)的視頻幀作為學(xué)習(xí)標(biāo)簽，從而模型會(huì)試著理解給定視頻幀中的語(yǔ)義信息(發(fā)生了啥？)進(jìn)而去建立從當(dāng)前到未來(lái)的映射關(guān)系。

二. 基于數(shù)據(jù)變換的任務(wù)

事實(shí)上，人們現(xiàn)在常常提到的自監(jiān)督學(xué)習(xí)通常指的是：這一類(lèi)自監(jiān)督任務(wù)是比較狹義的概念。

用一句話(huà)說(shuō)明這一類(lèi)任務(wù)，事實(shí)上原理很簡(jiǎn)單。對(duì)于樣本? ??，我們對(duì)其做任意變換，則自監(jiān)督任務(wù)的目標(biāo)是能夠?qū)ι傻? ??估計(jì)出其變換的參數(shù)。

下面介紹一種原理十分簡(jiǎn)單但是目前看來(lái)非常有效的自監(jiān)督任務(wù)——Rotation Prediction。

給定輸入圖片? ??，我們對(duì)其做4個(gè)角度的旋轉(zhuǎn)，分別得到? ??,并且我們知道其對(duì)應(yīng)的變換角度分別為? ??。此時(shí)，任務(wù)目標(biāo)即是對(duì)于以上4張圖片預(yù)測(cè)其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，這里每張圖片都經(jīng)過(guò)同樣的卷積神經(jīng)網(wǎng)。

自監(jiān)督學(xué)習(xí)中對(duì)比學(xué)習(xí)方法

對(duì)比學(xué)習(xí)是自監(jiān)督學(xué)習(xí)中的一個(gè)重要方法，其核心思想是通過(guò)樣本的相似性來(lái)構(gòu)建表征。對(duì)于相似的輸入樣本，由網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的表征也應(yīng)當(dāng)相似；而對(duì)于差異較大的輸入樣本，表征也應(yīng)該存在較大區(qū)別。根據(jù)這一思想，很多基于對(duì)比學(xué)習(xí)的自監(jiān)督學(xué)習(xí)方法被提出（如MoCo、SimCLR、BYOL），并對(duì)這一領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

對(duì)比學(xué)習(xí)中的一個(gè)關(guān)鍵步驟是構(gòu)建正負(fù)樣本集合，對(duì)于一個(gè)輸入樣本??，如何找到與其相似的正樣本??，和不相似的負(fù)樣本??？在基于圖像的自監(jiān)督任務(wù)中，一般通過(guò)數(shù)據(jù)增強(qiáng)（data augmentation）來(lái)對(duì)單張圖片構(gòu)建不同視圖，這些視圖的圖像內(nèi)容高度一致，被視為正樣本；而數(shù)據(jù)集中的其他圖片則直接被視為負(fù)樣本。

同一張貓咪圖片經(jīng)過(guò)剪裁得到的另一視圖被視作正樣本，正樣本與原圖經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼得到的表征應(yīng)該相似；而數(shù)據(jù)集中的其余圖片被視為負(fù)樣本，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼后的結(jié)果應(yīng)當(dāng)差異較大。

完成正負(fù)樣本的構(gòu)建后，對(duì)比學(xué)習(xí)一般采用InfoNCE Loss來(lái)進(jìn)行損失計(jì)算和模型更新，其形式如下：

其中??表示訓(xùn)練模型對(duì)輸入樣本的編碼過(guò)程。InfoNCE Loss約束模型對(duì)當(dāng)前樣本的編碼結(jié)果和對(duì)正樣本的編碼結(jié)果的內(nèi)積較大，而和負(fù)樣本的編碼結(jié)果的內(nèi)積較小，可以看作是從樣本集合中判別出與之匹配的正樣本。

一.?MoCo

MoCo是對(duì)比學(xué)習(xí)中一個(gè)非常有代表性的方法，其主要思想是將對(duì)比學(xué)習(xí)過(guò)程看作一個(gè)“查字典”的過(guò)程：在一個(gè)由眾多樣本構(gòu)成的鍵值（key）字典中檢索到與查詢(xún)樣本的編碼結(jié)果（query）相匹配的正樣本。為了提升對(duì)比學(xué)習(xí)的效果，提出兩點(diǎn)假設(shè)：

一.鍵值字典的容量應(yīng)該盡可能增大以提高自監(jiān)督任務(wù)的難度，從而提升訓(xùn)練效果；

二.鍵值字典應(yīng)該在訓(xùn)練過(guò)程中保持一定程度的一致性以保障自監(jiān)督學(xué)習(xí)過(guò)程能夠穩(wěn)定進(jìn)行。

基于以上兩點(diǎn)假設(shè)，分析了幾種對(duì)比學(xué)習(xí)機(jī)制。

1端到端訓(xùn)練

即對(duì)于所有的查詢(xún)樣本的編碼結(jié)果（query）和字典鍵值（key）同時(shí)進(jìn)行梯度傳播，但這一方法中顯存大小會(huì)極大地限制鍵值字典的大小，導(dǎo)致自監(jiān)督任務(wù)難度降低，影響訓(xùn)練效果；

2.基于memory bank的訓(xùn)練方法

迭代過(guò)程中將鍵值編碼存儲(chǔ)到一個(gè)memory bank中，每輪對(duì)比學(xué)習(xí)過(guò)程中所需要的字典鍵值直接從memory bank 里選取，而梯度計(jì)算只對(duì)查詢(xún)樣本的編碼網(wǎng)絡(luò)分支進(jìn)行。因?yàn)镸oCo不需要對(duì)鍵值字典的分支進(jìn)行梯度計(jì)算，memory bank方法可以顯著提升鍵值字典的容量，但是由于每個(gè)樣本在memory bank中的鍵值在被模型重新編碼時(shí)才會(huì)被更新，鍵值字典中鍵值間的一致性較差，從而降低了訓(xùn)練的穩(wěn)定性。

因此，提出一種momentum encoder來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵值字典的編碼。對(duì)于查詢(xún)樣本，使用普通encoder進(jìn)行編碼并直接進(jìn)行梯度計(jì)算；而對(duì)于鍵值字典，首先由一個(gè)動(dòng)態(tài)更新的隊(duì)列維護(hù)字典的輸入樣本，再使用momentum encoder將樣本編碼為鍵值。Momentum encoder在訓(xùn)練過(guò)程中不會(huì)進(jìn)行梯度計(jì)算，而是采用動(dòng)量更新的方法從encoder更新參數(shù)，更新方法如下：

其中，??和??分別表示query encoder和key momentum encoder的參數(shù)，??，表示動(dòng)量參數(shù)以調(diào)節(jié)更新速率。這樣的方法一方面可以避免key encoder在訓(xùn)練時(shí)因需要計(jì)算梯度使字典大小被限制，也可以避免memory bank方法中的鍵值低一致性問(wèn)題，保障了訓(xùn)練的穩(wěn)定性。

值得一提的是，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的batch normalization方法可能造成樣本信息的泄露，讓數(shù)據(jù)樣本意外地“看到了”其他樣本。會(huì)使模型在自監(jiān)督任務(wù)中更傾向于選擇一個(gè)合適的batch normalization參數(shù)，而不是學(xué)習(xí)一個(gè)比較好的特征表示。

二.?SimCLR

SimCLR 是一個(gè)非常簡(jiǎn)潔的自監(jiān)督學(xué)習(xí)框架。沒(méi)有建立類(lèi)似MoCo的鍵值字典的方式，而是直接在每個(gè)batch中的樣本之間進(jìn)行比較學(xué)習(xí)。對(duì)于??個(gè)輸入數(shù)據(jù)，先使用兩種不同的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法產(chǎn)生??個(gè)樣本；對(duì)于每個(gè)樣本來(lái)說(shuō)，從同一輸入圖片中產(chǎn)生另一樣本被視為正樣本，其余??個(gè)樣本被視為負(fù)樣本。構(gòu)建完正負(fù)樣本后，SimCLR直接使用端到端的方法計(jì)算loss并更新模型。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，與MoCo相比，SimCLR在backbone網(wǎng)絡(luò)末端新增了一個(gè)由兩層全連接層構(gòu)成的projection head。模型在訓(xùn)練階段，根據(jù)projection head的輸出??計(jì)算損失函數(shù)；而在遷移到下游任務(wù)時(shí)，會(huì)將projection head移除，直接使用backbone部分網(wǎng)絡(luò)輸出的表征??。

三.?BYOL

BYOL是一個(gè)非常有特點(diǎn)的模型，與MoCo、SimCLR相比，BYOL可以直接在正樣本對(duì)上進(jìn)行自監(jiān)督訓(xùn)練而不需要構(gòu)建負(fù)樣本集合。BYOL的構(gòu)想來(lái)自于一個(gè)非常有意思的發(fā)現(xiàn)：在一個(gè)完全隨機(jī)初始化的網(wǎng)絡(luò)所輸出的特征上進(jìn)行分類(lèi)任務(wù)的top-1準(zhǔn)確率只有1.4%；

但如果將這個(gè)隨機(jī)初始化網(wǎng)絡(luò)的輸出特征作為目標(biāo)，用另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行學(xué)習(xí)，使用學(xué)習(xí)之后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取再進(jìn)行分類(lèi)可以達(dá)到18.8%的準(zhǔn)確度。換言之，以一個(gè)特征表示作為目標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以獲得一個(gè)更好的表示。如此繼續(xù)迭代下去，精確度可以繼續(xù)往上提升。

基于這一發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建了只需要正樣本對(duì)的BYOL學(xué)習(xí)框架。如圖，一張輸入圖片經(jīng)過(guò)不同數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的兩個(gè)視圖分別經(jīng)過(guò)online和target兩個(gè)分支的backbone和projection head后得到輸出??和??，再使用一個(gè)prediction head從??預(yù)測(cè)??。計(jì)算損失時(shí)使用了MSE loss，且只對(duì)online分支計(jì)算梯度和更新參數(shù)；對(duì)于target分支使用類(lèi)似MoCo動(dòng)量更新的方式從online分支更新參數(shù)。

自監(jiān)督學(xué)習(xí)中的聚類(lèi)方法

與對(duì)比學(xué)習(xí)或者人工設(shè)置的前置任務(wù)（pretext task）的學(xué)習(xí)方式不同，基于聚類(lèi)的自監(jiān)督方法將訓(xùn)練樣本按照某種相似度量進(jìn)行劃分，劃歸到不同聚類(lèi)中心的樣本被賦予不同的類(lèi)別標(biāo)簽，之后使用標(biāo)準(zhǔn)的全監(jiān)督學(xué)習(xí)交叉熵?fù)p失進(jìn)行訓(xùn)練。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言形式化的展示了全監(jiān)督學(xué)習(xí)與自監(jiān)督聚類(lèi)之間的聯(lián)系與區(qū)別：考慮深度模型??將圖像映射為特征??，全監(jiān)督學(xué)習(xí)使用包含完全標(biāo)注的樣本-標(biāo)簽數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化模型??。

具體來(lái)講，假設(shè)有N個(gè)樣本??,相應(yīng)的類(lèi)別標(biāo)簽為,??,一個(gè)分類(lèi)頭??將深度模型的??維輸出向量映射到??維（每一維對(duì)應(yīng)一個(gè)類(lèi)別的得分）并使用softmax操作將每個(gè)類(lèi)別的得分轉(zhuǎn)化為類(lèi)別概率值。由于交叉熵?fù)p失需要給出目標(biāo)的類(lèi)別標(biāo)簽（標(biāo)注數(shù)據(jù)集），對(duì)于無(wú)標(biāo)注數(shù)據(jù)，需要首先通過(guò)某種分配方式賦予每個(gè)樣本具有一定意義的標(biāo)簽然后才能進(jìn)行訓(xùn)練。

一般而言，我們令??為one-hot函數(shù)??，即每一個(gè)樣本我們限定其只能屬于某一類(lèi)，那么上述公式可以寫(xiě)成一個(gè)雙層優(yōu)化問(wèn)題：

第一步，根據(jù)深度模型輸出調(diào)整標(biāo)簽分配方式，得到當(dāng)前特征下?lián)p失函數(shù)最小的標(biāo)簽；

第二步，根據(jù)更新的標(biāo)簽訓(xùn)練深度模型。

給所有的樣本賦予相同標(biāo)簽之后優(yōu)化模型參數(shù)就可以最小化平均損失函數(shù)。此時(shí)，模型將所有樣本均映射到特征空間中的同一位置附近，不同樣本之間的特征區(qū)分度變得微弱，模型性能?chē)?yán)重退化，不能達(dá)到學(xué)習(xí)出有意義特征表示的目的。因此，基于聚類(lèi)的自監(jiān)督學(xué)習(xí)方法關(guān)鍵在于引入適當(dāng)?shù)募s束條件，避免模型收斂到退化解。

自監(jiān)督學(xué)習(xí)推動(dòng)醫(yī)學(xué)圖像分類(lèi)發(fā)展

隨著自監(jiān)督學(xué)習(xí)在放射學(xué)、病理學(xué)和皮膚病學(xué)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域取得令人振奮的成果，人們對(duì)自監(jiān)督學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)成像任務(wù)中的應(yīng)用越來(lái)越感興趣。盡管如此，開(kāi)發(fā)醫(yī)學(xué)成像模型仍然頗具挑戰(zhàn)，這是由于標(biāo)注醫(yī)學(xué)圖像極為耗時(shí)，高質(zhì)量標(biāo)記數(shù)據(jù)通常較為稀缺。

鑒于此，遷移學(xué)習(xí) (Transfer learning) 成為構(gòu)建醫(yī)學(xué)成像模型的熱門(mén)范例。這種方法首先要在大型標(biāo)記數(shù)據(jù)集（如 ImageNet）中使用監(jiān)督學(xué)習(xí) (Supervised learning) 對(duì)模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，然后在域內(nèi)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中對(duì)習(xí)得的通用表征進(jìn)行微調(diào)。

近來(lái)一些新的方法在自然圖像識(shí)別任務(wù)中取得了成功，尤其是在標(biāo)記示例稀少的情況下，這些方法使用自監(jiān)督對(duì)比預(yù)訓(xùn)練，然后進(jìn)行監(jiān)督微調(diào)（例如 SimCLR 和 MoCo）。在對(duì)比學(xué)習(xí)預(yù)訓(xùn)練中，模型將同一圖像的不同轉(zhuǎn)換視圖間的一致性升至最高，同時(shí)將不同圖像的轉(zhuǎn)換視圖間的一致性降至最低，從而習(xí)得通用表征。盡管這些對(duì)比學(xué)習(xí)方法取得成功，但在醫(yī)學(xué)圖像分析中受到的關(guān)注有限，其功效還有待探索。

研究自監(jiān)督對(duì)比學(xué)習(xí)作為醫(yī)學(xué)圖像分類(lèi)領(lǐng)域預(yù)訓(xùn)練策略的有效性。同時(shí)提出一個(gè)全新方法——多實(shí)例對(duì)比學(xué)習(xí) (MICLe)，這一方法可泛化對(duì)比學(xué)習(xí)以利用醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)集的特性。針對(duì)兩項(xiàng)不同的醫(yī)學(xué)圖像分類(lèi)任務(wù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：識(shí)別數(shù)碼相機(jī)圖像中皮膚狀況分類(lèi)（27 類(lèi)）和對(duì)胸部 X 射線(xiàn)進(jìn)行多標(biāo)簽分類(lèi)（5 類(lèi)）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以觀察到，在 ImageNet 上進(jìn)行自監(jiān)督學(xué)習(xí)，隨后對(duì)未標(biāo)記的特定領(lǐng)域醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行額外的自監(jiān)督學(xué)習(xí)，顯著提高醫(yī)學(xué)圖像分類(lèi)器的準(zhǔn)確性。具體來(lái)說(shuō)，結(jié)果表明自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練優(yōu)于監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練，即使在完整的 ImageNet 數(shù)據(jù)集（1400 萬(wàn)幅圖像和 2.18 萬(wàn)個(gè)類(lèi)別）用于監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練時(shí)也是如此。

分別使用域內(nèi)未標(biāo)記和標(biāo)記數(shù)據(jù)對(duì)各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)，還使用在不同臨床環(huán)境中獲得的另一個(gè)數(shù)據(jù)集作為偏移數(shù)據(jù)集，以進(jìn)一步評(píng)估我們的方法對(duì)域外數(shù)據(jù)的穩(wěn)健性。對(duì)于胸部 X 射線(xiàn)任務(wù)，使用 ImageNet 或 CheXpert 數(shù)據(jù)進(jìn)行自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練可以提高泛化能力，同時(shí)使用兩者還可以進(jìn)一步提高此能力。正如預(yù)期的那樣，當(dāng)僅使用 ImageNet 進(jìn)行自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練時(shí)，與僅使用域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練相比，該模型的表現(xiàn)更差。

為測(cè)試分布偏移下的表現(xiàn)，對(duì)于各項(xiàng)任務(wù)，額外提供在不同臨床環(huán)境下收集的標(biāo)記數(shù)據(jù)集以進(jìn)行測(cè)試。發(fā)現(xiàn)使用自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練（同時(shí)使用 ImageNet 和 CheXpert 數(shù)據(jù)）時(shí)，分布偏移數(shù)據(jù)集 (ChestX-ray14) 的表現(xiàn)有所提升，比 CheXpert 數(shù)據(jù)集的原始提升更為明顯。這一發(fā)現(xiàn)頗具價(jià)值，因?yàn)榉植计葡碌姆夯芰?duì)于臨床應(yīng)用至關(guān)重要。在皮膚病學(xué)任務(wù)中，我們觀察到某一單獨(dú)的偏移數(shù)據(jù)集具有類(lèi)似趨勢(shì)，該數(shù)據(jù)集收集自皮膚癌診所，具有較高的惡性疾病發(fā)病率。這表明自監(jiān)督表征對(duì)分布偏移的穩(wěn)健性在不同任務(wù)間具有一致性。

用于胸部 X 射線(xiàn)解讀任務(wù)的分布偏移數(shù)據(jù)集模型評(píng)估。我們?cè)跊](méi)有進(jìn)一步微調(diào)（零樣本遷移學(xué)習(xí)）的情況下，使用在域內(nèi)數(shù)據(jù)上訓(xùn)練的模型對(duì)額外的偏移數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)測(cè)。我們觀察到，自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練會(huì)產(chǎn)生更好的表征，對(duì)分布偏移更穩(wěn)健

用于皮膚病學(xué)任務(wù)的分布偏移數(shù)據(jù)集模型評(píng)估。結(jié)果普遍表明，自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練模型可以在分布偏移中得到更好的泛化，其中 MICLe 預(yù)訓(xùn)練對(duì)泛化能力的提升最為明顯

通過(guò)在不同分?jǐn)?shù)的標(biāo)記訓(xùn)練數(shù)據(jù)上對(duì)模型進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)一步研究了用于醫(yī)學(xué)圖像分類(lèi)的自監(jiān)督模型的標(biāo)記效率。我們對(duì) Derm 和 CheXpert 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集使用 10% 到 90% 的標(biāo)簽分?jǐn)?shù)，并使用皮膚病學(xué)任務(wù)的不同可用標(biāo)簽分?jǐn)?shù)研究性能如何變化。使用自監(jiān)督模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練可以彌補(bǔ)醫(yī)學(xué)圖像分類(lèi)標(biāo)簽效率低下的情況，并且在采樣的標(biāo)簽分?jǐn)?shù)中，自監(jiān)督模型表現(xiàn)始終優(yōu)于監(jiān)督基線(xiàn)。結(jié)果還表明，使用較少的標(biāo)記示例進(jìn)行微調(diào)時(shí)，MICLe 會(huì)按比例提升標(biāo)簽效率。事實(shí)上，MICLe 僅使用 20% 的 ResNet-50（4 倍）訓(xùn)練數(shù)據(jù)和 30% 的 ResNet152（2 倍）訓(xùn)練數(shù)據(jù)就能夠與基線(xiàn)持平。

自動(dòng)駕駛Corner Case終結(jié)者自監(jiān)督學(xué)習(xí)

當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)在行駛過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)理解各種交通參與者的運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息對(duì)于各個(gè)技術(shù)模塊來(lái)說(shuō)都非常重要，涉及檢測(cè)、跟蹤、預(yù)測(cè)、規(guī)劃等等。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)通常配有多個(gè)傳感器，其中最常用的是激光雷達(dá)。因此，如何從點(diǎn)云中獲得其他交通參與者的運(yùn)動(dòng)信息是一個(gè)重要課題，并且存在如下挑戰(zhàn)：交通參與者的類(lèi)別不一樣，每個(gè)類(lèi)別都表現(xiàn)出特定的運(yùn)動(dòng)行為：

激光雷達(dá)點(diǎn)云的稀疏性導(dǎo)致兩次激光雷達(dá)掃描的情況不能精確地對(duì)應(yīng)起來(lái)；

需要在很短的時(shí)間限制內(nèi)和有限的車(chē)載算力下完成計(jì)算。

傳統(tǒng)做法是通過(guò)識(shí)別場(chǎng)景中其它交通參與者

根據(jù)所觀測(cè)到的歷史信息，來(lái)預(yù)測(cè)交通場(chǎng)景會(huì)如何變化，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)。但是，大多數(shù)識(shí)別模型都是為檢測(cè)若干已知類(lèi)別的物體而訓(xùn)練的。在實(shí)際情況中，經(jīng)常會(huì)遇上沒(méi)出現(xiàn)過(guò)的物體類(lèi)別。這肯定不是長(zhǎng)久之計(jì)。

通過(guò)估計(jì)激光雷達(dá)點(diǎn)云每個(gè)點(diǎn)的3D運(yùn)動(dòng)來(lái)從點(diǎn)云中估計(jì)場(chǎng)景流

但這樣做對(duì)計(jì)算的要求太高了，自動(dòng)駕駛車(chē)又特別需要達(dá)到實(shí)時(shí)性，所以根本無(wú)法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

基于BEV（bird’s eye view）的方式

把激光雷達(dá)的點(diǎn)云畫(huà)成一個(gè)個(gè)小網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格單元被稱(chēng)為體柱，點(diǎn)云的運(yùn)動(dòng)信息可以通過(guò)所有體柱的位移向量來(lái)描述，該位移向量描述了每個(gè)體柱在地面上的移動(dòng)大小和方向。

這種表征方法成功簡(jiǎn)化了場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)，反正只需要考慮在水平方向上的運(yùn)動(dòng)情況，而不用特別考慮垂直方向上的運(yùn)動(dòng)。這種方式的所有關(guān)鍵操作都可以通過(guò)2D卷積進(jìn)行，計(jì)算速度非?？?。但是，這種方式需要依靠大量帶有標(biāo)注的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但點(diǎn)云數(shù)據(jù)的標(biāo)注成本比普通圖像更高。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)每天會(huì)產(chǎn)生超過(guò)1TB的數(shù)據(jù)，但僅有不到5%的數(shù)據(jù)被利用，若能把其他數(shù)據(jù)也充分利用起來(lái)，在沒(méi)有手工標(biāo)注的數(shù)據(jù)上來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，那可就太高效了。

關(guān)于自監(jiān)督學(xué)習(xí)的思考

1.理論原理

盡管自監(jiān)督學(xué)習(xí)取得了很好的效果，但其背后的數(shù)學(xué)原理和理論基本并沒(méi)有特別扎實(shí)，大多通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果反推模型結(jié)構(gòu)和策略的效果，可能造成很多研究走了彎路，從理論基礎(chǔ)出發(fā)，直達(dá)最終目標(biāo)的效果可能會(huì)更好。

2.替代任務(wù)的構(gòu)建

當(dāng)前替代任務(wù)的構(gòu)建特別是視頻方向，多與下游任務(wù)為主導(dǎo)，沒(méi)有特定的范式或者規(guī)則。替代任務(wù)所能完成的任務(wù)，就是自監(jiān)督模型能完成任務(wù)的邊界。替代任務(wù)的五花八門(mén)，導(dǎo)致各類(lèi)任務(wù)的千差萬(wàn)別，沒(méi)有辦法比較性能優(yōu)劣，只能是單純的網(wǎng)絡(luò)在另一個(gè)任務(wù)上的應(yīng)用，當(dāng)前圖片領(lǐng)域多基于多種數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法構(gòu)建替代任務(wù)，而視頻領(lǐng)域也可以提出統(tǒng)一的構(gòu)建方式。能夠通過(guò)“半自動(dòng)”方式做出來(lái)的替代任務(wù)少之又少，在各類(lèi)的圖像算法應(yīng)用中，可能是影響自監(jiān)督方法適應(yīng)性的絆腳石。

3.能否構(gòu)建直通下游任務(wù)的端到端學(xué)習(xí)

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自監(jiān)督中有明顯的語(yǔ)義分割特征，在對(duì)比模型后端加入分割分支網(wǎng)絡(luò)會(huì)不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)有幫助，抑或是直接訓(xùn)練得到可使用的分割網(wǎng)絡(luò)，都是值得研究的問(wèn)題。

4.除對(duì)比的其他形式構(gòu)建特征提取網(wǎng)絡(luò)

本質(zhì)上，對(duì)比網(wǎng)絡(luò)是除去常規(guī)網(wǎng)絡(luò)之外，訓(xùn)練得到特征表示的一種方式而已，與前文提到的自編碼器有異曲同工之妙。對(duì)比學(xué)習(xí)的成功在于，其訓(xùn)練得到的特征提取網(wǎng)絡(luò)，在下游任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)異，也是所提特征有效的表現(xiàn)。由此我們可以得到啟發(fā)，還有沒(méi)有其他的形式構(gòu)建訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，也能夠提取得到有效特征。相信新模式的提出肯定也會(huì)和對(duì)比學(xué)習(xí)一樣，引領(lǐng)一波研究浪潮。

5.廣闊天地，大有可為

自監(jiān)督學(xué)習(xí)還處于探索階段，有很多可以深入探究的部分，相信無(wú)論在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界自監(jiān)督學(xué)習(xí)都會(huì)有廣泛的應(yīng)用。作為深度學(xué)習(xí)中的一種魔法，還需要更多的人來(lái)挖掘其潛能，創(chuàng)造更多的神跡。

藍(lán)海大腦超融合大數(shù)據(jù)一體機(jī)（融合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、 GPU、虛擬化的一體機(jī)；?支持主流虛擬化平臺(tái)如Vmware、Redhat、Microsoft Hyper-V 等；支持在線(xiàn)壓縮、重復(fù)數(shù)據(jù)自動(dòng)刪除 、數(shù)據(jù)保護(hù)、容災(zāi)備份及雙活等）自監(jiān)督學(xué)習(xí)保駕護(hù)航，為自監(jiān)督學(xué)習(xí)的發(fā)展提供了重要的后勤保障工作。

審核編輯：符乾江