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论文标题:Generalized Domain Adaptation with Covariate and Label Shift CO-ALignment
论文作者:Shuhan Tan, Xingchao Peng, Kate Saenko
论文来源:ICLR 2020
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1 摘要
提出问题:标签偏移;
解决方法:
原型分类器模拟类特征分布,并使用 Minimax Entropy 实现条件特征对齐;
使用高置信度目标样本伪标签实现标签分布修正;
2 介绍
2.1 当前工作
假设条件标签分布不变 $p(y \mid x)=q(y \mid x)$,只有特征偏移 $p(x) \neq q(x)$,忽略标签偏移 $p(y) \neq q(y)$。
假设不成立的原因:
-
- 场景不同,标签跨域转移 $p(y) \neq q(y)$ 很常见;
- 如果存在标签偏移,则当前的 UDA 工作性能显著下降;
- 一个合适的 UDA 方法应该能同时处理协变量偏移和标签偏移;
2.2 本文工作
本文提出类不平衡域适应 (CDA),需要同时处理 条件特征转移 和 标签转移。
具体来说,除了协变量偏移假设 $p(x) \neq q(x)$, $p(y \mid x)=q(y \mid x)$,进一步假设 $p(x \mid y) \neq q(x \mid y)$ 和 $p(y) \neq q(y)$。
CDA 的主要挑战:
-
- 标签偏移阻碍了主流领域自适应方法的有效性,这些方法只能边缘对齐特征分布;
- 在存在标签偏移的情况下,对齐条件特征分布 $p(x \mid y)$, $q(x \mid y)$ 很困难;
- 当一个或两个域中的数据在不同类别中分布不均时,很难训练无偏分类器;
CDA 概述:
3 问题定义
In Class-imbalanced Domain Adaptation, we are given a source domain $\mathcal{D}_{\mathcal{S}}= \left\{\left(x_{i}^{s}, y_{i}^{s}\right)_{i=1}^{N_{s}}\right\}$ with $N_{s}$ labeled examples, and a target domain $\mathcal{D}_{\mathcal{T}}=\left\{\left(x_{i}^{t}\right)_{i=1}^{N_{t}}\right\}$ with $N_{t}$ unlabeled examples. We assume that $p(y \mid x)=q(y \mid x)$ but $p(x \mid y) \neq q(x \mid y)$, $p(x) \neq q(x)$ , and $p(y) \neq q(y)$ . We aim to construct an end-to-end deep neural network which is able to transfer the knowledge learned from $\mathcal{D}_{\mathcal{S}}$ to $\mathcal{D}_{\mathcal{T}}$ , and train a classifier $y=\theta(x)$ which can minimize task risk in target domain $\epsilon_{T}(\theta)=\operatorname{Pr}_{(x, y) \sim q}[\theta(x) \neq y]$.
4 方法
4.1 整体框架
4.2 用于特征转移的基于原型的条件对齐
目的:对齐 $p(x \mid y)$ 和 $q(x \mid y)$
步骤:首先使用原型分类器(基于相似度)估计 $p(x \mid y)$ ,然后使用一种 $\text{minimax entropy}$ 算法将其和 $q(x \mid y)$ 对齐;
4.2.1 原型分类器
原因:基于原型的分类器在少样本学习设置中表现良好,因为在标签偏移的假设下中,某些类别的设置频率可能较低;
# 深层原型分类器
class Predictor_deep_latent(nn.Module):
def __init__(self, in_dim = 1208, num_class = 2, temp = 0.05):
super(Predictor_deep_latent, self).__init__()
self.in_dim = in_dim
self.hid_dim = 512
self.num_class = num_class
self.temp = temp #0.05
self.fc1 = nn.Linear(self.in_dim, self.hid_dim)
self.fc2 = nn.Linear(self.hid_dim, num_class, bias=False)
def forward(self, x, reverse=False, eta=0.1):
x = self.fc1(x)
if reverse:
x = GradReverse.apply(x, eta)
feat = F.normalize(x)
logit = self.fc2(feat) / self.temp
return feat, logit
源域上的样本使用交叉熵做监督训练:
$\mathcal{L}_{S C}=\mathbb{E}_{(x, y) \in \mathcal{D}_{S}} \mathcal{L}_{c e}(h(x), y) \quad \quad \quad(1)$
样本 $x$ 被分类为 $i$ 类的置信度越高,$x$ 的嵌入越接近 $w_i$。因此,在优化上式时,通过将每个样本 $x$ 的嵌入更接近其在 $W$ 中的相应权重向量来减少类内变化。所以,可以将 $w_i$ 视为 $p$ 的代表性数据点(原型) $p(x \mid y=i)$ 。
4.2.2 通过 Minimax Entropy 实现条件对齐
目标域缺少数据标签,所以使用 $\text{Eq.1}$ 获得类原型是不可行的;
解决办法:
-
- 将每个源原型移动到更接近其附近的目标样本;
- 围绕这个移动的原型聚类目标样本;
因此,提出 熵极小极大 实现上述两个目标。
具体来说,对于输入网络的每个样本 $x^{t} \in \mathcal{D}_{\mathcal{T}}$,可以通过下式计算分类器输出的平均熵
$\mathcal{L}_{H}=\mathbb{E}_{x \in \mathcal{D}_{\mathcal{T}}} H(x)=-\mathbb{E}_{x \in \mathcal{D}_{\mathcal{T}}} \sum_{i=1}^{c} h_{i}(x) \log h_{i}(x)\quad \quad \quad(2)$
通过在对抗过程中对齐源原型和目标原型来实现条件特征分布对齐:
-
- 训练 $C$ 以最大化 $\mathcal{L}_{H}$ ,旨在将原型从源样本移动到邻近的目标样本;
- 训练 $F$ 来最小化 $\mathcal{L}_{H}$,目的是使目标样本的嵌入更接近它们附近的原型;
4.3 标签转移的类平衡自训练
由于源标签分布 $p(y)$ 与目标标签分布 $q(y)$ 不同,因此不能保证在 $\mathcal{D}_{\mathcal{S}}$ 上具有低风险的分类器 $C$ 在 $\mathcal{D}_{\mathcal{T}}$ 上具有低错误。 直观地说,如果分类器是用不平衡的源数据训练的,决策边界将由训练数据中最频繁的类别主导,导致分类器偏向源标签分布。 当分类器应用于具有不同标签分布的目标域时,其准确性会降低,因为它高度偏向源域。
为解决这个问题,本文使用[19]中的方法进行自我训练来估计目标标签分布并细化决策边界。自训练为了细化决策边界,本文建议通过自训练来估计目标标签分布。 我们根据分类器 $C$ 的输出将伪标签 $y$ 分配给所有目标样本。由于还对齐条件特征分布 $p(x \mid y$ 和 $q(x \mid y)$,假设分布高置信度伪标签 $q(y)$ 可以用作目标域的真实标签分布 $q(y)$ 的近似值。 在近似的目标标签分布下用这些伪标记的目标样本训练 $C$,能够减少标签偏移的负面影响。
为了获得高置信度的伪标签,对于每个类别,本文选择属于该类别的具有最高置信度分数的目标样本的前 $k%$。利用 $h(x)$ 中的最高概率作为分类器对样本 $x$ 的置信度。 具体来说,对于每个伪标记样本 $(x, y)$,如果 $h(x)$ 位于具有相同伪标签的所有目标样本的前 $k%$ 中,将其选择掩码设置为 $m = 1$,否则 $m = 0 $。将伪标记目标集表示为 $\hat{\mathcal{D}}_{T}=\left\{\left(x_{i}^{t}, \hat{y}_{i}^{t}, m_{i}\right)_{i=1}^{N_{t}}\right\}$,利用来自 $\hat{\mathcal{D}}_{T}$ 的输入和伪标签来训练分类器 $C$,旨在细化决策 与目标标签分布的边界。 分类的总损失函数为:
$\mathcal{L}_{S T}=\mathcal{L}_{S C}+\mathbb{E}_{(x, \hat{y}, m) \in \hat{\mathcal{D}}_{T}} \mathcal{L}_{c e}(h(x), \hat{y}) \cdot m$
通常,用 $k_{0}=5$ 初始化 $k$,并设置 $k_{\text {step }}=5$,$k_{\max }=30$。
Note:本文还对源域数据使用了平衡采样的方法,使得分类器不会偏向于某一类。
4.4 训练目标
总体目标:
$\begin{array}{l}\hat{C}=\underset{C}{\arg \min } \mathcal{L}_{S T}-\alpha \mathcal{L}_{H} \\\hat{F}=\underset{F}{\arg \min } \mathcal{L}_{S T}+\alpha \mathcal{L}_{H}\end{array}$文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-418463.html
5 总结
略文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-418463.html
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