论文阅读笔记《TransMatch: A Transfer-Learning Scheme for Semi-Supervised Few-Shot Learning》

核心思想

  本文提出一种基于迁移学习的半监督小样本学习算法（TransMatch）。整个算法并不复杂，首先利用带有标签的基础数据集训练特征提取网络，然后用该特征提取网络为新的数据集初始化分类器权重，最后用半监督学习的方式进一步更新整个网络。整个流程如下图所示

  第一阶段：预训练阶段。这一阶段没有什么值得介绍的，就是用带有标签的基础数据集对特征提取器进行训练。
  第二阶段：分类器权重“生成”阶段（Classifier Weight Imprinting）。在这一阶段，使用已经预训练好的特征提取网络，对新的带有标签的数据集进行特征提取，并生成对应的分类器权重。本文采用一种叫做Weight Imprinting的方法来生成分类器的权重，方法如下

式中$w_c$表示类别$c$对应的分类器权重，$f^e$表示特征提取网络，$x^c_k$表示类别$c$中第$k$个样本。通过上式得到每个类别对应的权重后，再通过计算余弦距离的方式进行分类

式中对于样本$x$，分别计算其与$N$个类别权重之间的余弦相似度，并选择余弦相似度最高的哪一类作为预测结果。
  第三阶段：半监督微调训练阶段。在这一阶段采用新的带有标签的数据集$D^{novel}$和与$D^{novel}$类别相同但不带有标签的数据集，共同对网络进行微调训练。本文采用MixMatch的方式进行半监督训练，定义$\mathcal{L}=\left \{(x_i,p_i)\right \}^B_{i=1}$表示$B$个带有标签$p_i$的样本，$\mathcal{U}=\left \{(x_u)\right \}^U_{u=1}$表示$U$个不带有标签的样本。首先对每个无标签的样本$x_u$进行数据扩充（应该采用的是常规的翻转，放缩等形式）得到$M$个合成样本$\left \{x_{u,i},...,x_{u,M}\right \}$，然后用第二阶段训练得到的分类器对每个无标签样本进行预测，并取$M$个合成样本的平均值作为预测结果

锐化操作（sharpen operation）用于进一步增强预测结果

其中$T=0.5$，这样就得到了无标签样本对应的标签信息了。将数据集$\mathcal{L,U}$级联后，再将顺序打乱，得到新的混合数据集$\mathcal{W}=Shuffle(Concat(\mathcal{L,U}))$，然后将其分为以下两个集合

其中混合操作MixUP计算过程如下

式中$\lambda'=max(\lambda,1-\lambda)$，$\lambda$是从Beta分布$Beta(\alpha,\alpha)$中随机生成的。

实现过程

网络结构

  特征提取网络采用宽阔的残差网络WRN-28-10。

损失函数

  损失函数计算过程如下

其中

训练策略

  本文的训练过程如下

创新点

• 采用基于迁移学习的半监督训练方法实现小样本学习任务
• 采用Weight Imprinting的方式进行分类器权重生成，采用MixUp方式进行半监督训练

算法评价

  与之前研究较多的采用元学习的小样本学习方法不同，本文沿用了更为传统的迁移学习思想，并结合半监督学习方式，证明了迁移学习还是能够在小样本场景下取得较好的效果的。但本文核心创新点并不多，有一种拼凑的感觉。无论是Weight Imprinting分类器权重生成还是MixUp半监督训练方法都是借鉴了别人的方案。

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