ICCV 2023 Oral | Comment réaliser une formation de segments de test en monde ouvert ? Méthode d'auto-formation basée sur l'expansion dynamique de prototypes-IA-php.cn

Lors de la promotion de la mise en œuvre de méthodes de perception basées sur la vision, l'amélioration de la capacité de généralisation du modèle est une base importante. Formation/adaptation au moment du test (Test-Time Training/Adaptation) permet au modèle de s'adapter à la distribution des données du domaine cible inconnue en ajustant les poids des paramètres du modèle pendant la phase de test. Les méthodes TTT/TTA existantes se concentrent généralement sur l'amélioration des performances de formation des segments de test sous les données du domaine cible dans un environnement fermé. Cependant, dans de nombreux scénarios d'application, le domaine cible est facilement contaminé par des données hors domaine fortes (Strong OOD par exemple). , catégories de données sémantiquement non pertinentes. Dans ce cas, également connu sous le nom d'Open World Test Segment Training (OWTTT), les TTT/TTA existants classent généralement de force les données hors domaine fortes dans des catégories connues, interférant finalement avec les données hors domaine faibles (Weak OOD) telles que Capacité de reconnaissance des images perturbées par le bruit

Récemment, l'Université de technologie de Chine du Sud et l'équipe A*STAR ont proposé pour la première fois la mise en place d'une formation de segment de test en monde ouvert et ont lancé la méthode de formation correspondante

ICCV 2023 Oral | 如何在开放世界进行测试段训练？基于动态原型扩展的自训练方法

La méthode présentée dans cet article atteint des performances optimales sur 5 benchmarks OWTTT différents et fournit une nouvelle direction pour les recherches ultérieures sur le TTT afin d'explorer des méthodes TTT plus robustes. La recherche a été acceptée comme article oral à l’ICCV 2023.

Introduction

La formation sur les segments de test (TTT) peut accéder aux données du domaine cible uniquement pendant la phase d'inférence et effectuer une inférence à la volée sur les données de test avec des changements de distribution. Le succès du TTT a été démontré sur un certain nombre de données de domaine cible artificiellement sélectionnées et corrompues. Cependant, les limites des capacités des méthodes TTT existantes n’ont pas été entièrement explorées.

Pour promouvoir les applications TTT dans des scénarios ouverts, la recherche s'est déplacée vers l'étude des scénarios dans lesquels les méthodes TTT peuvent échouer. De nombreux efforts ont été déployés pour développer des méthodes TTT stables et robustes dans des environnements de monde ouvert plus réalistes. Dans ce travail, nous explorons un scénario de monde ouvert courant mais négligé, dans lequel le domaine cible peut contenir des distributions de données de test tirées d'environnements significativement différents, tels que des catégories sémantiques différentes de celles du domaine source, ou simplement du bruit aléatoire.

Nous appelons les données de test ci-dessus des données fortes hors distribution (strong OOD). Ce que l'on appelle dans ce travail des données OOD faibles sont des données de test avec des changements de distribution, tels que des dommages synthétiques courants. Par conséquent, le manque de travaux existants sur cet environnement réel nous motive à explorer l'amélioration de la robustesse de l'Open World Test Segment Training (OWTTT), où les données de test sont contaminées par de forts échantillons OOD. être réécrit Il s'agit de : Figure 1 : Les résultats de l'évaluation de la méthode TTT existante dans le cadre OWTTT

Comme le montre la figure 1, nous avons d'abord évalué la méthode TTT existante dans le cadre OWTTT et avons constaté que grâce à l'auto-formation et Les méthodes TTT alignées sur la distribution sont affectées par de forts échantillons OOD. Ces résultats indiquent qu’une formation aux tests sûre ne peut pas être réalisée en appliquant la technologie TTT existante dans le monde ouvert. Nous attribuons leur échec aux deux raisons suivantes ICCV 2023 Oral | 如何在开放世界进行测试段训练？基于动态原型扩展的自训练方法

Le TTT basé sur l'auto-formation a du mal à gérer des échantillons OOD forts car il doit attribuer des échantillons de test à des classes connues. Bien que certains échantillons peu fiables puissent être filtrés en appliquant le seuil utilisé dans l’apprentissage semi-supervisé, il n’y a toujours aucune garantie que tous les échantillons OOD forts seront filtrés.

Les méthodes basées sur l'alignement de la distribution seront affectées lorsque des échantillons OOD forts sont calculés pour estimer la distribution du domaine cible. L'alignement de la distribution globale [1] et l'alignement de la distribution des classes [2] peuvent être affectés et conduire à un alignement inexact de la distribution des fonctionnalités.

Afin d'améliorer la robustesse du TTT en monde ouvert dans le cadre d'auto-formation, nous avons examiné les raisons potentielles de l'échec des méthodes TTT existantes et proposé une solution combinant deux technologies
Tout d'abord, nous établirons le base de référence de TTT basée sur la variante, c'est-à-dire utiliser le prototype du domaine source comme centre de cluster pour le clustering dans le domaine cible. Pour atténuer le fort impact OOD de l'auto-entraînement à partir de faux pseudo-étiquettes, nous proposons une méthode sans hyperparamètres pour rejeter les échantillons OOD forts
Pour séparer davantage les caractéristiques des échantillons OOD faibles et des échantillons OOD forts, nous autorisons le regroupement de prototypes pour isoler par sélection Une extension d'échantillon OOD forte. Par conséquent, l’auto-formation permettra aux échantillons OOD forts de former des groupes serrés autour du prototype OOD fort nouvellement développé. Cela facilitera l’alignement de la distribution entre les domaines source et cible. Nous proposons en outre de régulariser l'auto-formation grâce à un alignement de la distribution mondiale afin de réduire le risque de biais de confirmation

Enfin, afin de synthétiser le scénario TTT en monde ouvert, nous adoptons les ensembles de données CIFAR10-C, CIFAR100-C, ImageNet-C, VisDA-C, ImageNet-R, Tiny-ImageNet, MNIST et SVHN, et utilisons un data réglé sur Weak OOD, d’autres établissent des ensembles de données de référence pour une forte OOD. Nous appelons cette référence l'Open World Test Segment Training Benchmark et espérons que cela encouragera davantage de travaux futurs à se concentrer sur la robustesse de la formation des segments de test dans des scénarios plus réalistes.

Méthode

L'article est divisé en quatre parties pour présenter la méthode proposée.

1) Aperçu des paramètres des tâches de formation dans le segment de test en monde ouvert.
2) Présente comment utiliser
Le clustering de prototypes est un algorithme d'apprentissage non supervisé utilisé pour regrouper des échantillons d'un ensemble de données en différentes catégories. Dans le clustering de prototypes, chaque catégorie est représentée par un ou plusieurs prototypes, qui peuvent être des échantillons dans l'ensemble de données ou générés selon certaines règles. Le but du clustering de prototypes est de réaliser un clustering en minimisant la distance entre les échantillons et les prototypes des catégories auxquelles ils appartiennent. Les algorithmes de clustering de prototypes courants incluent le clustering K-means et les modèles de mélange gaussien. Ces algorithmes sont largement utilisés dans des domaines tels que l'exploration de données, la reconnaissance de formes et le traitement d'images. Implémenter TTT et comment étendre le prototype pour la formation au temps de test en monde ouvert.
3) Présente comment utiliser les données du domaine cible
Le contenu qui doit être réécrit est : l'extension de prototype dynamique .
4) Présentation de
Distribution Alignment avec Prototype Clustering est un algorithme d'apprentissage non supervisé utilisé pour regrouper des échantillons d'un ensemble de données en différentes catégories. Dans le clustering de prototypes, chaque catégorie est représentée par un ou plusieurs prototypes, qui peuvent être des échantillons dans l'ensemble de données ou générés selon certaines règles. Le but du clustering de prototypes est de réaliser un clustering en minimisant la distance entre les échantillons et les prototypes des catégories auxquelles ils appartiennent. Les algorithmes de clustering de prototypes courants incluent le clustering K-means et les modèles de mélange gaussien. Ces algorithmes, largement utilisés dans des domaines tels que l’exploration de données, la reconnaissance de formes et le traitement d’images, sont combinés pour permettre une formation puissante en temps de test en monde ouvert.

Le contenu qui doit être réécrit est : Figure 2 : Diagramme de présentation de la méthode

Paramètre de la tâche
L'objectif de TTT est d'adapter le modèle pré-entraîné du domaine source au domaine cible , où le domaine cible peut être relativement Il y a une migration de distribution dans le domaine source. Dans le TTT standard en monde fermé, les espaces d'étiquettes des domaines source et cible sont les mêmes. Cependant, dans le TTT en monde ouvert, l'espace d'étiquettes du domaine cible contient l'espace cible du domaine source, ce qui signifie que le domaine cible a de nouvelles catégories sémantiques inédites
Pour éviter toute confusion entre les définitions de TTT, nous adoptons TTAC [2] Le protocole de formation au temps de test séquentiel (sTTT) proposé est évalué. Dans le cadre du protocole sTTT, les échantillons de test sont testés séquentiellement et les mises à jour du modèle sont effectuées après avoir observé de petits lots d'échantillons de test. La prédiction pour tout échantillon de test arrivant à l'horodatage t n'est pas affectée par tout échantillon de test arrivant à t+k (dont k est supérieur à 0).

Le clustering de prototypes est un algorithme d'apprentissage non supervisé utilisé pour regrouper des échantillons d'un ensemble de données en différentes catégories. Dans le clustering de prototypes, chaque catégorie est représentée par un ou plusieurs prototypes, qui peuvent être des échantillons dans l'ensemble de données ou générés selon certaines règles. Le but du clustering de prototypes est de réaliser un clustering en minimisant la distance entre les échantillons et les prototypes des catégories auxquelles ils appartiennent. Les algorithmes de clustering de prototypes courants incluent le clustering K-means et les modèles de mélange gaussien. Ces algorithmes sont largement utilisés dans des domaines tels que l'exploration de données, la reconnaissance de formes et le traitement d'images.
Inspirés par les travaux utilisant le clustering dans les tâches d'adaptation de domaine [3,4], nous traitons la formation de segments de test comme la découverte de clusters dans la structure de données du domaine cible. . En identifiant des prototypes représentatifs en tant que centres de cluster, les structures de cluster sont identifiées dans le domaine cible et les échantillons de test sont encouragés à s'intégrer à proximité de l'un des prototypes. Le clustering de prototypes est un algorithme d'apprentissage non supervisé utilisé pour regrouper des échantillons d'un ensemble de données en différentes catégories. Dans le clustering de prototypes, chaque catégorie est représentée par un ou plusieurs prototypes, qui peuvent être des échantillons dans l'ensemble de données ou générés selon certaines règles. Le but du clustering de prototypes est de réaliser un clustering en minimisant la distance entre les échantillons et les prototypes des catégories auxquelles ils appartiennent. Les algorithmes de clustering de prototypes courants incluent le clustering K-means et les modèles de mélange gaussien. L'objectif de ces algorithmes, largement utilisés dans des domaines tels que l'exploration de données, la reconnaissance de formes et le traitement d'images, est défini comme minimisant la perte de log-vraisemblance négative de la similarité cosinus entre l'échantillon et le centre de l'amas, comme le montre le équation suivante.

Nous avons développé une méthode sans hyperparamètres pour filtrer les échantillons OOD forts afin d'éviter l'impact négatif de l'ajustement des poids des modèles. Plus précisément, nous définissons un score OOD fort pour chaque échantillon de test comme la plus grande similarité avec le prototype du domaine source, comme le montre l'équation suivante.
Figure 3 La valeur du groupe est distribuée en doubles pics
Nous observons que la valeur du groupe obéit à la distribution des doubles pics, comme le montre la figure 3. Par conséquent, au lieu de spécifier un seuil fixe, nous définissons le seuil optimal comme la meilleure valeur séparant les deux distributions. Plus précisément, le problème peut être formulé en divisant les valeurs aberrantes en deux groupes, et le seuil optimal minimisera la variance au sein du groupe. L'optimisation de l'équation suivante peut être réalisée efficacement en recherchant de manière exhaustive tous les seuils possibles de 0 à 1 par pas de 0,01.

Ce qui doit être réécrit est : Extension de prototype dynamique

L'expansion du pool de prototypes OOD forts doit prendre en compte à la fois le domaine source et le prototype OOD fort pour évaluer l'échantillon de test. Pour estimer dynamiquement le nombre de clusters à partir des données, des études antérieures ont étudié des problèmes similaires. L'algorithme déterministe de clustering dur DP-means [5] a été développé en mesurant la distance des points de données aux centres de cluster connus, et un nouveau cluster est initialisé lorsque la distance est supérieure à un seuil. DP-means s'avère équivalent à l'optimisation de l'objectif K-means, mais avec une pénalité supplémentaire sur le nombre de clusters, fournissant une solution réalisable pour l'expansion dynamique de prototypes où une réécriture est nécessaire.

Pour atténuer la difficulté d'estimer des hyperparamètres supplémentaires, nous définissons d'abord un échantillon de test avec un score OOD fort étendu comme la distance la plus proche du prototype de domaine source existant et du prototype OOD fort, comme suit. Par conséquent, tester des échantillons au-dessus de ce seuil permettra de construire un nouveau prototype. Pour éviter d'ajouter des échantillons de test à proximité, nous répétons progressivement ce processus d'expansion du prototype.
Avec d'autres prototypes OOD solides identifiés, nous avons défini des prototypes pour tester des échantillons. Le clustering est un algorithme d'apprentissage non supervisé utilisé pour regrouper des échantillons dans un ensemble de données en différentes catégories. Dans le clustering de prototypes, chaque catégorie est représentée par un ou plusieurs prototypes, qui peuvent être des échantillons dans l'ensemble de données ou générés selon certaines règles. Le but du clustering de prototypes est de réaliser un clustering en minimisant la distance entre les échantillons et les prototypes des catégories auxquelles ils appartiennent. Les algorithmes de clustering de prototypes courants incluent le clustering K-means et les modèles de mélange gaussien. Ces algorithmes sont largement utilisés dans des domaines tels que l'exploration de données, la reconnaissance de formes et le traitement d'images. La perte prend en compte deux facteurs. Premièrement, les échantillons de test classés dans des classes connues doivent être intégrés plus près des prototypes et plus éloignés des autres prototypes, ce qui définit la tâche de classification en classe K. Deuxièmement, les échantillons de test classés comme prototypes OOD forts doivent être éloignés de tout prototype du domaine source, ce qui définit la tâche de classification de classe K+1. En gardant ces objectifs à l’esprit, nous prototypons le clustering, un algorithme d’apprentissage non supervisé utilisé pour regrouper les échantillons d’un ensemble de données en catégories distinctes. Dans le clustering de prototypes, chaque catégorie est représentée par un ou plusieurs prototypes, qui peuvent être des échantillons dans l'ensemble de données ou générés selon certaines règles. Le but du clustering de prototypes est de réaliser un clustering en minimisant la distance entre les échantillons et les prototypes des catégories auxquelles ils appartiennent. Les algorithmes de clustering de prototypes courants incluent le clustering K-means et les modèles de mélange gaussien. Ces algorithmes sont largement utilisés dans des domaines tels que l'exploration de données, la reconnaissance de formes et le traitement d'images. La perte est définie comme suit.

Contraintes d'alignement de distribution

Il est bien connu que l'auto-formation est sensible aux pseudo-étiquettes erronées. La situation est aggravée lorsque le domaine cible est constitué d'échantillons OOD. Pour réduire le risque d'échec, nous utilisons en outre l'alignement de distribution [1] comme régularisation pour l'auto-formation, comme suit.

Expériences

Nous testons sur 5 ensembles de données de référence OWTTT différents, y compris des ensembles de données synthétiques corrompus et des ensembles de données de style variable. L'expérience utilise principalement trois indicateurs d'évaluation : une faible précision de classification OOD ACCS, une forte précision de classification OOD ACCN et la moyenne harmonique des deux ACCH.      Tableau 2 Performances des différentes méthodes sur l'ensemble de données Cifar100-C
3 Performances des différentes méthodes sur l'ensemble de données ImageNet-C
   Tableau 4 Performances des différentes méthodes sur l'ensemble de données ImageNet-R
                                                                                                                                                                                                                   Tableau 5 Données VisDA-C des différentes méthodes Les performances de l'ensemble
Comme le montre le tableau ci-dessus, notre méthode s'est grandement améliorée par rapport à la les meilleures méthodes actuelles sur presque tous les ensembles de données, et peuvent identifier efficacement les échantillons OOD forts et réduire leur impact sur la classification des échantillons OOD faibles. Notre méthode peut obtenir un TTT plus robuste dans des scénarios de monde ouvert. Lorsque vous résumez le contenu, vous devez conserver le sens original inchangé et réécrire la langue en chinois
Cet article propose pour la première fois les problèmes et les paramètres de l'Open World Test Segment Training (OWTTT), soulignant que les les méthodes sont inefficaces pour traiter les domaines contenant et source.Les données du domaine cible des échantillons OOD forts avec un décalage sémantique rencontreront souvent des difficultés, et une méthode d'auto-apprentissage basée sur la nécessité de réécrire le contenu est proposée pour résoudre les problèmes ci-dessus. Nous espérons que ce travail pourra fournir de nouvelles orientations pour les recherches ultérieures sur le TTT afin d'explorer des méthodes TTT plus robustes.
Références :
[1] Yuejiang Liu, Parth Kothari, Bastien van Delft, Baptiste Bellot-Gurlet, Taylor Mordan et Alexandre Alahi : Quand la formation auto-supervisée pendant les tests échoue-t-elle ou réussit-elle ? Avancées dans les systèmes de traitement de l'information neuronale, 2021.
[2] Yongyi Su, Xun Xu et Kui Jia Revisiter la formation réaliste au moment du test : inférence séquentielle et adaptation par clustering ancré dans Avancées dans les systèmes de traitement de l'information neuronale, 2022. .
[3] Tang Hui et Jia Kui. Adaptation discriminante du domaine contradictoire. Dans Actes de la conférence AAAI sur l'intelligence artificielle, volume 34, pages 5940-5947, 2020

[4] Kuniaki Saito, Shohei Yamamoto, Yoshitaka Ushiku et Tatsuya Harada Adaptation de domaine ouvert par rétropropagation. Vision par ordinateur, 2018.

[5] Brian Kulis et Michael I Jordan. Les k-means revisités : un nouvel algorithme via des méthodes bayésiennes non paramétriques. Lors de la Conférence internationale sur l'apprentissage automatique, 2012

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