囿于数据少？PaddleDetection少样本迁移学习助你一键突围！

　　目标检测是非常基础和重要的计算机视觉任务，在各行业有非常广泛的应用。然而，在很多领域的实际落地过程中，由于样本稀缺、标注成本高或业务冷启动等困难，难以训练出可靠的模型。
　　在目标检测这类较为复杂的学习任务上，样本不足带来的挑战更加棘手，因为模型复杂度高意味着对训练数据量有更高的要求，否则很容易导致模型过拟合。应对这类问题，一类常见的思路是迁移学习，即依赖资源丰富的源数据集或强大的预训练模型，为下游任务提供额外引导。而少样本学习是一类特殊的迁移学习任务，其针对的是每个标注类型仅有几十甚至几个样本的情况。
　　为了解决这个问题，飞桨联合百度研究院大数据实验室，发布两种少样本迁移学习的新算法，从不同角度应对标注不足的挑战，提升模型学习效果。
　　跨领域 Label Co-tuning 算法
　　该方法的主要思路是充分利用预训练模型的语义空间，挖掘其与下游任务的关联，计算出类别之间的关系作为下游任务的辅助语义标签，作为原始one-hot类别标签的补充。
　　领域内 Contrastive Tuning 算法
　　对比学习是一种通用的表征学习思路，可以学习样例级的判别特征，也可视为一种有效的数据增强策略。该算法针对目标检测的任务特性，实现patch级别的对比学习，以强化目标领域的表征学习效果。
　　快速体验
　　您可以下载 PaddleDetection 最新代码体验我们的算法。
　　https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection/tree/develop
　　上述少样本学习算法在套件中高度封装，接口简单，只需使用我们提供的配置样例，或在原配置文件中添加少样本学习算法，即可使用算法训练。
　　具体可参照我们的使用说明
　　https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection/tree/develop/configs/few-shot
　　接下来，本文将从＂跨领域 Label Co-tuning 算法＂和＂领域内 Contrastive Tuning 算法＂两个方面来解读 PaddleDetection 少样本迁移学习新算法的方案技术。
　　01
　　跨领域 Label Co-tuning 算法
　　算法原理
　　少样本学习的一个普遍思路是在预训练模型基础上进行微调，然而这种直接的方式面临明显的挑战。
　　挑战一： 当下游任务样本量太少时，很容易导致模型在目标数据集上过拟合，最终，微调后的模型泛化能力差。
　　挑战二： 在微调过程中，如果直接将预训练任务的分类头舍弃，重新初始化，会导致大量预训练模型所学到的信息丢失。而这些信息可能对于预训练模型知识迁移至目标数据集很重要。
　　针对以上的问题，清华大学的 Kaichao You 等人在 NeurIPS2020发表了 Label Co-tuning[1]算法，该算法是一种针对图像分类任务的迁移学习算法。其主要思路是对预训练类别空间 Ys 和目标任务类别空间Yt的关联进行建模。在微调之前，预先学习预训练类别 ys Ys 和 yt Yt 之间的条件概率分布，即 p(ys|yt），作为目标类别的一种辅助语义标签。这样可以有效的降低少量目标样本过拟合其标签的风险，同时预训练模型的分类头也将被重用，提供目标数据在 Ys 类别空间的预测结果，充分挖掘了预训练模型的迁移潜力。
　　以下为一个直观的例子，演示为何 Label Co-tuning 方法能够有效。如果我们的预训练数据集是具有1000类物体的 ImageNet ，而下游目标任务是 COCO 图像分类。此时，上下游任务之间存在大量有关联但又不完全相同的类别。如 COCO 中有＂大象＂这一类别，而 ImageNet 则粒度更细，包含＂印度象＂和＂非洲象＂。
　　由于不同数据集中，图像本身的视觉特征也存在一定差异，那么即使在类别的语义概念上有明显重合，其真实关联多数情况下也是比较隐晦、复杂，难以通过人工经验来指定。所以比较严谨的方式是通过学习的方式，建立起 Ys 和 Yt 两个完整类别空间的概率分布关系。如下图所示。
　　学习到这种类别关系后，对于每个目标数据集的样本(xi,yi)，我们在微调过程中除了要拟合其原始的 one-hot 类别标签 yi 外，还会利用一个额外的预训练任务分类头拟合辅助语义标签 p（ys|yt=yi），这个辅助标签的长度和预训练分类数相同，是一个 soft label。
　　算法实现
　　我们对该原型算法进行了改造和扩展，使其适合目标检测任务，并在 PaddleDetection 的经典结构 Faster RCNN 上添加了对 Label Co-tuning 算法的支持。在上下游类别关系矩阵的计算中，考虑到目标检测任务的特点，我们使用每个 patch，而非每张图片作为一个样本。具体而言，需要从目标任务的训练数据中，直接提取出 bounding box 的标注，并在前向计算中获得该 ground truth 区域在预训练分类头上的预测结果，同时结合其自身标注的目标类别，来一起计算关系矩阵签 p（ys|yt）。需要注意的是，Label Co-tuning 虽然利用了完整的预训练模型，但并不需要预训练任务的数据集，关系矩阵是完全利用目标任务训练集计算出来的。
　　同样的，在微调过程中，我们也在 bounding box 粒度上应用辅助语义标签。对于每一个需要预测的检测框，我们除了拟合原始的类别标签和位置外，还会额外的拟合其在预训练语义空间上的 soft label。
　　02
　　领域内 Contrastive Tuning 算法
　　算法原理
　　对比学习是一种很有潜力的自监督表征学习方式，一般被用于预训练阶段学习图像的通用的视觉表征。而近期的一些研究表明，在常规的监督学习任务中，合理引入对比学习也能提升模型的判别效果，如分类、检测、分割等。基于这一思路，南加州大学的 Bo Sun 等人实现了检测框粒度上的自监督学习方法[2]，可以显著提升少样本目标检测效果，并将成果发表在 CVPR 2021。
　　该算法本质上有别于通常的样本级对比学习，通常的对比学习选择将每个样本的不同变换作为正例，其他样本作为负例。而在检测任务上，该方法引入了类别级的对比学习，但以每个 bounding box 为样本单元，即属于同类别的检测框之间互为正例，而不同类别则作为负例。
　　通过这样一种类别对比的方式，算法在微调过程中引入额外的 loss 来引导模型对同类 patch 学习更加紧密的表征，而不同类 patch 的表征则区别更加明显，如下图所示。
　　算法实现
　　和Label Co-tuning算法相比，这种 Contrastive Tuning 的方法更加通用，虽然没有改进对预训练模型的复用，但其优点是对任务所做的假设更少，例如不需要依赖预训练任务和目标任务之间的潜在关联。在原始论文中，该算法仅适用于二阶段的 Faster RCNN 模型。我们对算法进行了扩展和改进，使其能够应用于 PaddleDetection 最新的 PP-YOLOE 系列模型。
　　PP-YOLOE 系列模型具备非常出色的精度和效率，同时模型结构也大为精炼。但对于 Contrastive Tuning 来说，这种单阶段模型由于简化了 Anchor 生成和筛选的过程，使得中间过程中存在大量无效的 patch，增加对比学习的计算负担。
　　针对此问题，我们引入了一种均衡策略，从采样和损失两方面对 Contrastive Tuning 的计算效率进行优化，同时不影响计算精度。具体来说，在前向计算的采样过程中，我们只对正样本 patch 全部保留，而对负样本 patch 选择随机采样，来保持正负样本的合理配比。在计算 Contrastive loss 时，我们根据当前 patch 的 IoU 得分来设定阈值，仅对得分高于阈值的样本点进行 loss 回传。
　　03
　　算法效果
　　项目传送门
　　PaddleDetection 少样本学习算法体验
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　　PaddleDetection 官方库
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　　参考文献
　　[1] You, Kaichao, et al. ＂Co-tuning for transfer learning.＂ Advances in Neural Information Processing Systems 33 (2020): 17236-17246.
　　[2] Sun, Bo, et al. ＂Fsce: Few-shot object detection via contrastive proposal encoding.＂ Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2021.