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使用 SimSiam 进行自监督对比学习

作者: Sayak Paul
创建日期 2021/03/19
上次修改 2023/12/29
描述: 用于计算机视觉的自监督学习方法的实现。

ⓘ 此示例使用 Keras 2

在 Colab 中查看 GitHub 源代码

自监督学习 (SSL) 是表示学习领域中一个有趣的研究分支。 SSL 系统试图从一组未标记的数据点中构建一个监督信号。一个例子是,我们训练一个深度神经网络来预测给定一组单词中的下一个单词。在文献中,这些任务被称为预文本任务辅助任务。如果我们在一个庞大的数据集(如 维基百科文本语料库)上训练这样的网络,它会学习到非常有效的表示,这些表示可以很好地迁移到下游任务。像 BERTGPT-3ELMo 这样的语言模型都受益于此。

就像语言模型一样,我们可以使用类似的方法训练计算机视觉模型。为了使计算机视觉工作,我们需要构建学习任务,以便底层模型(一个深度神经网络)能够理解视觉数据中存在的语义信息。其中一个任务是让模型在同一图像的两个不同版本之间进行对比。希望通过这种方式,模型将学习到这样的表示:相似的图像尽可能地聚集在一起,而不相似的图像则更远。

在本例中,我们将实现一个名为 SimSiam 的系统,该系统在 探索简单的孪生表示学习 中提出。它的实现方式如下

  1. 我们使用随机数据增强管道创建同一数据集的两个不同版本。请注意,在创建这些版本时,随机初始化种子需要相同。
  2. 我们采用一个没有任何分类头的 ResNet(骨干网络),并在其顶部添加一个浅层全连接网络(投影头)。总的来说,这被称为编码器
  3. 我们将编码器的输出传递给预测器,它也是一个浅层全连接网络,具有类似 自编码器 的结构。
  4. 然后,我们训练编码器以最大化数据集两个不同版本之间的余弦相似度。

设置

import os
os.environ["KERAS_BACKEND"] = "tensorflow"
import keras
import keras_cv
from keras import ops

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

定义超参数

AUTO = tf.data.AUTOTUNE
BATCH_SIZE = 128
EPOCHS = 5
CROP_TO = 32
SEED = 26

PROJECT_DIM = 2048
LATENT_DIM = 512
WEIGHT_DECAY = 0.0005

加载 CIFAR-10 数据集

(x_train, y_train), (x_test, y_test) = keras.datasets.cifar10.load_data()
print(f"Total training examples: {len(x_train)}")
print(f"Total test examples: {len(x_test)}")
Total training examples: 50000
Total test examples: 10000

定义我们的数据增强流程

正如 SimCLR 中研究的那样,拥有正确的数据增强流程对于 SSL 系统在计算机视觉中有效工作至关重要。两个特别重要的增强变换是:1.) 随机调整大小的裁剪和 2.) 颜色失真。大多数其他用于计算机视觉的 SSL 系统(例如 BYOLMoCoV2SwAV 等)在其训练流程中都包含了这些。

strength = [0.4, 0.4, 0.4, 0.1]

random_flip = layers.RandomFlip(mode="horizontal_and_vertical")
random_crop = layers.RandomCrop(CROP_TO, CROP_TO)
random_brightness = layers.RandomBrightness(0.8 * strength[0])
random_contrast = layers.RandomContrast((1 - 0.8 * strength[1], 1 + 0.8 * strength[1]))
random_saturation = keras_cv.layers.RandomSaturation(
    (0.5 - 0.8 * strength[2], 0.5 + 0.8 * strength[2])
)
random_hue = keras_cv.layers.RandomHue(0.2 * strength[3], [0,255])
grayscale = keras_cv.layers.Grayscale()

def flip_random_crop(image):
    # With random crops we also apply horizontal flipping.
    image = random_flip(image)
    image = random_crop(image)
    return image


def color_jitter(x, strength=[0.4, 0.4, 0.3, 0.1]):
    x = random_brightness(x)
    x = random_contrast(x)
    x = random_saturation(x)
    x = random_hue(x)
    # Affine transformations can disturb the natural range of
    # RGB images, hence this is needed.
    x = ops.clip(x, 0, 255)
    return x


def color_drop(x):
    x = grayscale(x)
    x = ops.tile(x, [1, 1, 3])
    return x


def random_apply(func, x, p):
    if keras.random.uniform([], minval=0, maxval=1) < p:
        return func(x)
    else:
        return x


def custom_augment(image):
    # As discussed in the SimCLR paper, the series of augmentation
    # transformations (except for random crops) need to be applied
    # randomly to impose translational invariance.
    image = flip_random_crop(image)
    image = random_apply(color_jitter, image, p=0.8)
    image = random_apply(color_drop, image, p=0.2)
    return image

应该注意的是,增强流程通常取决于我们正在处理的数据集的各种属性。例如,如果数据集中的图像以对象为中心,那么以非常高的概率进行随机裁剪可能会损害训练性能。

现在让我们将增强流程应用于我们的数据集并可视化一些输出。


将数据转换为 TensorFlow Dataset 对象

在这里,我们创建了两个不同版本的没有真实标签的数据集。

ssl_ds_one = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x_train)
ssl_ds_one = (
    ssl_ds_one.shuffle(1024, seed=SEED)
    .map(custom_augment, num_parallel_calls=AUTO)
    .batch(BATCH_SIZE)
    .prefetch(AUTO)
)

ssl_ds_two = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(x_train)
ssl_ds_two = (
    ssl_ds_two.shuffle(1024, seed=SEED)
    .map(custom_augment, num_parallel_calls=AUTO)
    .batch(BATCH_SIZE)
    .prefetch(AUTO)
)

# We then zip both of these datasets.
ssl_ds = tf.data.Dataset.zip((ssl_ds_one, ssl_ds_two))

# Visualize a few augmented images.
sample_images_one = next(iter(ssl_ds_one))
plt.figure(figsize=(10, 10))
for n in range(25):
    ax = plt.subplot(5, 5, n + 1)
    plt.imshow(sample_images_one[n].numpy().astype("int"))
    plt.axis("off")
plt.show()

# Ensure that the different versions of the dataset actually contain
# identical images.
sample_images_two = next(iter(ssl_ds_two))
plt.figure(figsize=(10, 10))
for n in range(25):
    ax = plt.subplot(5, 5, n + 1)
    plt.imshow(sample_images_two[n].numpy().astype("int"))
    plt.axis("off")
plt.show()

png

png

请注意,samples_images_onesample_images_two 中的图像本质上是相同的,但增强方式不同。


定义编码器和预测器

我们使用专门为 CIFAR10 数据集配置的 ResNet20 的实现。代码取自 keras-idiomatic-programmer 存储库。这些架构的超参数参考了 原始论文的第 3 节和附录 A。

!wget -q https://git.io/JYx2x -O resnet_cifar10_v2.py
import resnet_cifar10_v2

N = 2
DEPTH = N * 9 + 2
NUM_BLOCKS = ((DEPTH - 2) // 9) - 1


def get_encoder():
    # Input and backbone.
    inputs = layers.Input((CROP_TO, CROP_TO, 3))
    x = layers.Rescaling(scale=1.0 / 127.5, offset=-1)(
        inputs
    )
    x = resnet_cifar10_v2.stem(x)
    x = resnet_cifar10_v2.learner(x, NUM_BLOCKS)
    x = layers.GlobalAveragePooling2D(name="backbone_pool")(x)

    # Projection head.
    x = layers.Dense(
        PROJECT_DIM, use_bias=False, kernel_regularizer=regularizers.l2(WEIGHT_DECAY)
    )(x)
    x = layers.BatchNormalization()(x)
    x = layers.ReLU()(x)
    x = layers.Dense(
        PROJECT_DIM, use_bias=False, kernel_regularizer=regularizers.l2(WEIGHT_DECAY)
    )(x)
    outputs = layers.BatchNormalization()(x)
    return keras.Model(inputs, outputs, name="encoder")


def get_predictor():
    model = keras.Sequential(
        [
            # Note the AutoEncoder-like structure.
            layers.Input((PROJECT_DIM,)),
            layers.Dense(
                LATENT_DIM,
                use_bias=False,
                kernel_regularizer=regularizers.l2(WEIGHT_DECAY),
            ),
            layers.ReLU(),
            layers.BatchNormalization(),
            layers.Dense(PROJECT_DIM),
        ],
        name="predictor",
    )
    return model

定义(预)训练循环

使用这些方法训练网络的主要原因之一是利用学习到的表示来进行分类等下游任务。这就是为什么这个特定的训练阶段也称为预训练

我们首先定义损失函数。

def compute_loss(p, z):
    # The authors of SimSiam emphasize the impact of
    # the `stop_gradient` operator in the paper as it
    # has an important role in the overall optimization.
    z = ops.stop_gradient(z)
    p = keras.utils.normalize(p, axis=1, order=2)
    z = keras.utils.normalize(z, axis=1, order=2)
    # Negative cosine similarity (minimizing this is
    # equivalent to maximizing the similarity).
    return -ops.mean(ops.sum((p * z), axis=1))

然后,我们通过覆盖 keras.Model 类的 train_step() 函数来定义我们的训练循环。

class SimSiam(keras.Model):
    def __init__(self, encoder, predictor):
        super().__init__()
        self.encoder = encoder
        self.predictor = predictor
        self.loss_tracker = keras.metrics.Mean(name="loss")

    @property
    def metrics(self):
        return [self.loss_tracker]

    def train_step(self, data):
        # Unpack the data.
        ds_one, ds_two = data

        # Forward pass through the encoder and predictor.
        with tf.GradientTape() as tape:
            z1, z2 = self.encoder(ds_one), self.encoder(ds_two)
            p1, p2 = self.predictor(z1), self.predictor(z2)
            # Note that here we are enforcing the network to match
            # the representations of two differently augmented batches
            # of data.
            loss = compute_loss(p1, z2) / 2 + compute_loss(p2, z1) / 2

        # Compute gradients and update the parameters.
        learnable_params = (
            self.encoder.trainable_variables + self.predictor.trainable_variables
        )
        gradients = tape.gradient(loss, learnable_params)
        self.optimizer.apply_gradients(zip(gradients, learnable_params))

        # Monitor loss.
        self.loss_tracker.update_state(loss)
        return {"loss": self.loss_tracker.result()}

预训练我们的网络

为了演示,我们将只训练模型 5 个 epoch。实际上,这应该至少是 100 个 epoch。

# Create a cosine decay learning scheduler.
num_training_samples = len(x_train)
steps = EPOCHS * (num_training_samples // BATCH_SIZE)
lr_decayed_fn = keras.optimizers.schedules.CosineDecay(
    initial_learning_rate=0.03, decay_steps=steps
)

# Create an early stopping callback.
early_stopping = keras.callbacks.EarlyStopping(
    monitor="loss", patience=5, restore_best_weights=True
)

# Compile model and start training.
simsiam = SimSiam(get_encoder(), get_predictor())
simsiam.compile(optimizer=keras.optimizers.SGD(lr_decayed_fn, momentum=0.6))
history = simsiam.fit(ssl_ds, epochs=EPOCHS, callbacks=[early_stopping])

# Visualize the training progress of the model.
plt.plot(history.history["loss"])
plt.grid()
plt.title("Negative Cosine Similairty")
plt.show()
Epoch 1/5
391/391 [==============================] - 33s 42ms/step - loss: -0.8973
Epoch 2/5
391/391 [==============================] - 16s 40ms/step - loss: -0.9129
Epoch 3/5
391/391 [==============================] - 16s 40ms/step - loss: -0.9165
Epoch 4/5
391/391 [==============================] - 16s 40ms/step - loss: -0.9176
Epoch 5/5
391/391 [==============================] - 16s 40ms/step - loss: -0.9182

png

如果您的解决方案在使用不同的数据集和不同的主干架构时很快接近 -1(我们损失的最小值),那很可能是因为表示崩溃。这是一种现象,其中编码器为所有图像产生相似的输出。在这种情况下,需要额外的超参数调整,尤其是在以下方面:

  • 颜色失真的强度及其概率。
  • 学习率及其计划。
  • 主干及其投影头的架构。

评估我们的 SSL 方法

评估计算机视觉中 SSL 方法(或任何其他预训练方法)最常用的方法是在训练的主干模型(在本例中为 ResNet20)的冻结特征上学习线性分类器,并在未见过的图像上评估分类器。其他方法包括在源数据集上进行微调,甚至在存在 5% 或 10% 标签的目标数据集上进行微调。实际上,我们可以将主干模型用于任何下游任务,例如语义分割、对象检测等,其中主干模型通常使用纯监督学习进行预训练。

# We first create labeled `Dataset` objects.
train_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train))
test_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test))

# Then we shuffle, batch, and prefetch this dataset for performance. We
# also apply random resized crops as an augmentation but only to the
# training set.
train_ds = (
    train_ds.shuffle(1024)
    .map(lambda x, y: (flip_random_crop(x), y), num_parallel_calls=AUTO)
    .batch(BATCH_SIZE)
    .prefetch(AUTO)
)
test_ds = test_ds.batch(BATCH_SIZE).prefetch(AUTO)

# Extract the backbone ResNet20.
backbone = keras.Model(
    simsiam.encoder.input, simsiam.encoder.get_layer("backbone_pool").output
)

# We then create our linear classifier and train it.
backbone.trainable = False
inputs = layers.Input((CROP_TO, CROP_TO, 3))
x = backbone(inputs, training=False)
outputs = layers.Dense(10, activation="softmax")(x)
linear_model = keras.Model(inputs, outputs, name="linear_model")

# Compile model and start training.
linear_model.compile(
    loss="sparse_categorical_crossentropy",
    metrics=["accuracy"],
    optimizer=keras.optimizers.SGD(lr_decayed_fn, momentum=0.9),
)
history = linear_model.fit(
    train_ds, validation_data=test_ds, epochs=EPOCHS, callbacks=[early_stopping]
)
_, test_acc = linear_model.evaluate(test_ds)
print("Test accuracy: {:.2f}%".format(test_acc * 100))
Epoch 1/5
391/391 [==============================] - 7s 11ms/step - loss: 3.8072 - accuracy: 0.1527 - val_loss: 3.7449 - val_accuracy: 0.2046
Epoch 2/5
391/391 [==============================] - 3s 8ms/step - loss: 3.7356 - accuracy: 0.2107 - val_loss: 3.7055 - val_accuracy: 0.2308
Epoch 3/5
391/391 [==============================] - 3s 8ms/step - loss: 3.7036 - accuracy: 0.2228 - val_loss: 3.6874 - val_accuracy: 0.2329
Epoch 4/5
391/391 [==============================] - 3s 8ms/step - loss: 3.6893 - accuracy: 0.2276 - val_loss: 3.6808 - val_accuracy: 0.2334
Epoch 5/5
391/391 [==============================] - 3s 9ms/step - loss: 3.6845 - accuracy: 0.2305 - val_loss: 3.6798 - val_accuracy: 0.2339
79/79 [==============================] - 1s 7ms/step - loss: 3.6798 - accuracy: 0.2339
Test accuracy: 23.39%

注意

  • 更多的数据和更长的预训练时间表通常有利于 SSL。
  • 当您无法访问非常有限的标记训练数据,但可以设法建立大量的未标记数据语料库时,SSL 特别有用。最近,一个 Facebook 的研究小组使用一种名为 SwAV 的 SSL 方法,在 20 亿张图像上训练了一个 RegNet。他们能够获得非常接近纯监督预训练的下游性能。对于某些下游任务,他们的方法甚至优于监督方法。您可以查看他们的论文以了解详细信息。
  • 如果您有兴趣了解为什么对比 SSL 可以帮助网络学习有意义的表示,您可以查看以下资源