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title: 度量学习之采样策略
subtitle: 度量学习之采样策略
date: 2021-12-12
author: NSX
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- 度量学习
- 采样策略
在metric learning中（尤其是pairwise inputs），采样方法也同样重要。甚至在Sampling Matters in Deep Embedding Learning中，作者指出在metric learning中，采样方法比损失函数具有同等或更重要的作用。
为什么要采样
以triplet loss为例，它的输入为（anchor，positive，negative）。如果有一个人脸训练集，共m个人（m=10000），每个人的人脸图片有n张（n=100），那么所有可能的triplet pair为 
个（假设anchor固定，positive有99个选择，negative有9999个选择）。如果这些pair全参与训练，则复杂度为O（mn^2），显然是不可行的。考虑classification loss，如果每一张人脸图片都参与训练，那么共有 
张训练图片，此时复杂度是O（mn）；如果以人为单位，每个epoch随机从100张里面抽一张人脸作为这个人的训练图片，那么每个epoch的训练集为10000张，此时复杂度为O（m）。因此需要找一种对标classification loss的方法，当遍历所有图片（以图片为单位）时，为每个图片找到合适的triplet pair，此时复杂度为O（mn）；当以人为单位时，为每个人找到合适的triplet pair，此时复杂度为O（m)。为了叙述清晰，统一以后一种作为目标。
为了完成上面说的目标，我们需要进行采样，包括：
- 随机采样
- hard/semi-hard 采样
- distance weighted采样
1.随机采样
对于某一个人，先随机选一张这个人的人脸图片作为anchor，再在这个人的其它99张人脸图片里面随机选一张图片作为positive，再随机选一张其他人的人脸图片作为negative。目标达到了吗？达到了。还有其它问题吗？有，margin。
写到这里就得回顾一下metric learning中的loss function了。metric learning的所有损失函数都有一个包含margin的max函数，用来达到类内相近，类间分离的目标。这个max函数有个特性，就是如果已经满足了公式，那么它是不参与梯度回传的。例如triplet loss：
当d(a,n)小于d(a, p)+margin时，左边这一项是正数，模型通过反向传播使d(a,p)和d(a,n)分别往更小/更大的方向梯度下降；但当d(a,n)大于d(a, p)+margin时，是公式右边的0起作用，左边这一项不再参与梯度回传，对模型训练没有帮助。然而，它们依然参与计算，使计算时间增加，影响模型的收敛速度。而且越到训练后期，模型越来越好，这种无用的pair越多。因此，需要合适的采样方法选择适当的pair，至少保证它们对训练是有帮助的。
2.hard/semi-hard 采样
根据直觉，既然满足了公式的pair无贡献，那么我们找到不满足公式的pair，用它们训练不就可以了吗？可以，又有两个新的问题来了：（1）怎么找到这些合适的pair？如果所有pair都计算，复杂度又变高了。（2）找到合适的pair之后，从这些pair里怎么进一步挑选？
问题一，FaceNet 中提出了两种方法：第一种是离线计算，每隔n个epoch用当前最优模型计算；第二种是在线计算，在每个batch里面计算。如今的负采样方法基本都是选择第二种在线计算的方式。那又有问题了，如果一个batch里面都没有合适的怎么办？那只能调大batchsize了。可能一些论文就是靠调大batchsize才得到提升的，只是他们没明说：）
问题二，就是各个采样方法进一步研究的问题了。一种直觉上容易想到的方法是选择所有pair里最难的pair（即d(a,n)-d(a,p)最小），这种方式就叫做hard sampling。然而，FaceNet 指出：在实验中，选择最困难的负样本可能会导致训练初期收敛到不好的局部最小值，而且会导致模型崩溃。为了减轻这种情况，作者提出了semi-hard sampling方法，即保证d(a,p)<d(a,n)，意思是我们要选择困难的负样本，但这些负样本不要太困难，即负样本和anchor不能比正样本和anchor更相似。
hard/semi-hard 采样的问题
hard/semi-hard采样算是比较符合直觉的采样方法了。但实际使用时，作者们发现了一个问题：“ FaceNet报告了一个一致的发现：损失的减少在某个点后急剧减慢，他们的最终系统花了80天的时间进行训练。”这是为什么呢？Sampling Matters 给出了解释。
进一步介绍之前，需要有一个先验知识：对于n>=128的n维向量，在normalize后被约束到一个n-1维的球体上。如果点在球体上分布均匀，则两个点之间距离的分布属于以下公式：
证明：The Sphere Game in n Dimensions 。在高维空间，q(d)符合
的正态分布。换句话说，如果样本分散均匀，随机采样时采样到 
附近的概率很大。如果margin小于 
，这个采样就没有帮助了。对于学习到的embeddings，分布类似：
选择hard negative samples导致另一个问题。负例的梯度为：
当d很小时，如果embedding有noise，则梯度的方向为：
，
梯度的方向就会被改变。
3.distance weighted采样
根据以上分析，随机采样时总会采样到 
附近的值，hard采样又会被噪声影响。那么有没有一种方法使所有区间的概率相同呢？方法很简单，乘一个概率的倒数：
其中 
是为了避免噪声样本加入的cutoff。
上图比较了几个采样方法的样本分布，hard sampling总是在高方差区域采样，被噪声影响。随机采样的样本都在1.4附近。semi-hard采样找到了一个狭窄的范围，尽管一开始它可能会很快收敛，但是在某些时候，该频段内没有任何实例，网络将停止更新。distance weighted采样方法对所有分布提供了相同的可能，使得训练中总能提供有用的样本。
采样的实现方法
刚才我们叙述的过程中，都是以“人”为单位，为每个人找到一个合适的triplet pair。以pytorch为例，具体的实现方式是先对每一个人采样一个（anchor，positive，negative）pair，再把它们送到batch中。如果每个batch里的人数为k，则每个batch里有k个pair。把这种实现方式推到以图片为单位的情况，则对每张图片采样一个pair，再把它们送入batch中。例如batch中有2个人，每个人有3张图片。则采样到的pair为：（a1，ax，by）；（a2，ax，by）；（a3，ax，by）；（b1，bx，ay）；（b2，bx，ay）；（b3，bx，ay），其中x，y根据采样方法可能是1-3中的任意一个（positive与anchor不同）。
这种实现方法有两个问题
- 一是计算重复，例如a1作为anchor计算了一次，也可能作为a2的positive又计算了一次，又可能作为b1的negative再计算了一次。
- 二是pair少，最开始的时候提到过接受不了
的复杂度，是因为m和n都很大。但当调整batchsize使m和n到合适的大小k和q时，我们在batch内已经可以接受
的复杂度了，这时我们就希望batch内能有更多的pair，使模型收敛更快。
以上两个问题可以用同一种方法解决，思路来自Lifted Structured Loss：即先组好batch（设置好每个batch里的人数和人脸图片个数），计算好每张图片的向量，再找到batch内所有满足margin条件的pair，并在此基础上进行采样（semihard、distanceweighted等）。这种方法现在已经是成为一种通用做法了。找到batch内所有满足margin条件的pair之后，如果使用semihard采样，则剔除掉所有hard的样本；或者可以把条件设置得更严格一些，例如设置一个epsilon，只选择比最难正例-epsilon大的负例，以及比最难负例+epsilon小的正例（来自Multi-Similarity Loss）。
参考
Implementing Triplet Loss Function in Tensorflow 2.0
Triplet Loss and Online Triplet Mining in TensorFlow
triplet loss稳定在margin附近?—hardTri & l2_normalize
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