论文阅读《Deep Long-Tailed Learning: A Survey》综述(三)

本文综述了深度长尾学习的未来研究方向,包括无标签频率的类别重新平衡、无标记数据的迁移学习、多任务数据增强和改进所有类的集成学习等新方法。此外,提出了测试无关的长尾学习、开集长尾学习、联合长尾学习等新任务设置,以应对现实世界中的挑战。

6 未来方向

在本节中,我们从方法创新和任务创新两个角度确定了深度长尾学习的几个未来研究方向。

6.1 New Methodology

我们首先讨论创新深度长尾学习方法的几个潜在方向。

Class re-balancing without label frequencies无标签频率的类别重新平衡。一些真实世界的长尾任务,例如多标签分类或对象检测,可能遭受除类别不平衡之外的额外问题,即标签共现。具体来说,标签共现表示头类标签与尾类标签频繁出现的情况,这可能会在模型训练时偏向不平衡程度,从而难以获得准确的标签频率。考虑到这个问题,现有的基于标签频率的类再平衡方法往往会失败。如何在长尾学习中处理这个问题是一个悬而未决的问题。

无标记数据的迁移学习。长尾学习的一个关键挑战是缺乏足够的尾类样本。从其他未标记样本中转移知识是一种可行的解决方案,例如,自我监督学习、知识提炼和自我训练。然而,现有的迁移方法可能不能很好地处理长尾学习。例如,CReST [97]发现监督训练的模型在长尾图像分类中通常对尾类具有高精度,因此提出选择更多尾类数据用于伪标记和模型训练。然而,这样的发现在长尾对象检测或多标签分类中可能不成立。因此,如何更好地利用未标记数据进行长尾学习值得进一步探索。

Data augmentation for multiple tasks 多任务数据扩充。现有的长尾方法通常是为特定的任务设计的,例如图像分类或图像检测。然而,由于各种任务之间的差异,用于特定任务的现有方法可能无法处理其他任务,导致方法通用性差。考虑到数据增强是所有视觉任务的基础,设计能够同时解决多个长尾任务的更好的基于增强的长尾方法是有价值的。

Ensemble learning for improving all classes 改进所有类的集成学习。大多数现有的长尾方法以牺牲头类性能为代价来提高尾类性能。一种解决方案是集成学习,它利用各种专家的不同专

### 解耦表示与分类器的实现细节 在论文 *Decoupling Representation and Classifier for Long-Tailed Recognition* 中,作者提出了一种解耦特征表示和分类器的训练策略,以应对长尾数据分布带来的类别不平衡问题。论文的实现细节主要围绕两个阶段展开:**联合训练阶段** 和 **解耦训练阶段**。 #### 联合训练阶段(Joint Training) 在联合训练阶段,网络的特征提取器(backbone)和分类器(classifier)同时进行训练。此阶段的目标是学习一个能够区分各类别的通用特征表示,同时训练一个初步的分类器。训练过程中使用了不同的采样策略,包括: - **实例平衡采样(Instance-balanced sampling)**:对所有样本均匀采样。 - **类别平衡采样(Class-balanced sampling)**:对每个类别采样相同数量的样本。 - **平方根采样(Square root sampling)**:每个类别的采样概率与其样本数的平方根成正比。 - **渐进平衡采样(Progressive-balanced sampling)**:先使用实例平衡采样,再切换到类别平衡采样。 损失函数使用的是标准的交叉熵损失(Cross-Entropy Loss),即: ```python criterion = nn.CrossEntropyLoss() ``` 在 PyTorch 中,联合训练的代码结构大致如下: ```python for epoch in range(joint_epochs): for images, labels in train_loader: features = backbone(images) outputs = classifier(features) loss = criterion(outputs, labels) optimizer.zero_grad() loss.backward() optimizer.step() ``` #### 解耦训练阶段(Decoupled Training) 在解耦训练阶段,特征提取器被冻结,仅对分类器进行微调。该阶段的目的是通过调整分类器来适应长尾数据分布,而不影响已经学习到的特征表示。 ##### 1. **类别均值分类器(NCM:Nearest Class Mean)** 在该策略中,首先计算每个类别的特征均值,然后在测试阶段使用最近邻方法(如欧氏距离或余弦相似度)进行分类。 ```python # 计算每个类别的特征均值 class_means = compute_class_means(backbone, train_loader) # 测试阶段使用最近邻分类 def predict(feature): distances = [torch.norm(feature - mean) for mean in class_means] return torch.argmin(distances) ``` ##### 2. **τ-归一化分类器(τ-normalized classifier)** τ-归一化分类器通过归一化分类器权重来调整决策边界,缓解类别不平衡问题。归一化后的权重计算如下: $$ \tilde{w_i} = \frac{w_i}{||w_i||^{\tau}} $$ 其中 $\tau$ 是一个可调参数,通常设置为 1,即 L2 归一化。 在 PyTorch 中,τ-归一化可以通过以下方式实现: ```python def apply_tau_normalization(classifier, tau=1.0): with torch.no_grad(): weights = classifier.weight norm = torch.norm(weights, dim=1, keepdim=True) normalized_weights = weights / (norm ** tau) classifier.weight.copy_(normalized_weights) ``` 随后,使用类别均等采样重新训练分类器,通常不使用偏置项: ```python for epoch in range(decoupled_epochs): for images, labels in class_balanced_loader: features = backbone(images).detach() # 冻结特征提取器 outputs = classifier(features) loss = criterion(outputs, labels) optimizer_decoupled.zero_grad() loss.backward() optimizer_decoupled.step() ``` ##### 3. **LWS(Learnable Weight Scaling)** LWS 是 τ-归一化的扩展,其中缩放因子 $f_i$ 是可学习参数。该方法通过在解耦阶段学习每个类别的缩放因子来优化分类器的决策边界。 ```python # 定义可学习的缩放因子 scaling_factors = nn.Parameter(torch.ones(num_classes)) # 在损失反向传播时,仅更新 scaling_factors optimizer_lws = torch.optim.SGD([scaling_factors], lr=lw_lr) for epoch in range(lws_epochs): for images, labels in class_balanced_loader: features = backbone(images).detach() logits = classifier(features) scaled_logits = logits * scaling_factors.unsqueeze(0) loss = criterion(scaled_logits, labels) optimizer_lws.zero_grad() loss.backward() optimizer_lws.step() ``` #### 代码结构总结 整个训练流程可以分为以下几个步骤: 1. **联合训练特征提取器和分类器**,使用不同的采样策略。 2. **冻结特征提取器**,进入解耦阶段。 3. **使用类别均等采样重新训练分类器**,采用 τ-归一化或 LWS 策略。 4. **在测试集上评估模型性能**,使用 NCM、τ-归一化或 LWS 分类器。 --- ###
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