CVPR 2018 最佳论文解读：探秘任务迁移学习
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这是 PaperDaily 的第 84 篇文章本期推荐的论文笔记来自 PaperWeekly 社区用户 @jindongwang。本次我们介绍刚刚在计算机视觉顶会 CVPR 2018 摘得最佳论文奖的文章：Taskonomy: Disentangling Task Transfer Learning。本文是继 2017 年 Open Set Domain Adaptation 在 ICCV 摘得 Marr prize 后，迁移学习在计算机视觉领域的又一次获奖。文章作者团队来自斯坦福大学和加州大学伯克利分校。
如果你对本文工作感兴趣，点击底部阅读原文即可查看原论文。
关于作者：王晋东，中国科学院计算技术研究所博士生，研究方向为迁移学习和机器学习。
■ 论文 | Taskonomy: Disentangling Task Transfer Learning
■ 链接 | https://www.paperweekly.site/papers/1876
■ 源码 | https://github.com/StanfordVL/taskonomy
论文介绍
文章题目其实有点难理解：Taskonomy 是一个什么东西，它可以“disentangle”任务迁移学习？“Disentangle”这个词，中文有“解耦、分清、解脱”等意思。但我个人觉得都太抽象了，所以我给了一个更好的名字：“探秘”。
这样，文章的主题就基本上定了：探索任务迁移学习。从题目中我们也可以知道，既然要探索，就必然要做大量的科学实验，这也是科研的必经之路。因此，我们可以管中窥豹：本文通过做大量的实验，来揭示任务迁移学习中的一些现象。
这篇论文插图、表格太多，我们不一一列举。
动机
文章的方法概括起来就叫做 Taskonomy (Task taxonomy)，这是一个计算图，它定义了任务之间的可迁移性。图中的节点表示任务，节点之间的边就表示迁移性，边的权重表示从一个任务迁移到另一个任务的可能表现。这个方法是文章的核心。它一共由下图所示的 4 个步骤构成。
这 4 个步骤从逻辑上非常好理解。首先我们要对不同任务进行建模，然后让它们两两之间进行迁移并获取迁移的表现。接着为了构建一个统一的字典，我们对这些迁移结果进行归一化。最后，我们构建可迁移图。
在迁移实验开始前，最重要的是，需要一个可用的超大型数据集，要包含不同的任务。然而目前没有。怎么办？很简单，作者构建了一个！这个数据集有从 600 个建筑物内拍摄的 400 万张图片。每张图片都针对不同的任务做了标注，也就是说都适用于每个任务。就问你怕不怕？单凭这一个数据集就足够发一篇文章了，更别说这只是实验基础。
1. 针对目标的建模
这部分就是一个有监督学习，用的是编码-解码机制。目的是让神经网络针对特定的任务提取到强表征力的特征。
2. 迁移学习建模
这部分是整个方法的基础。给定一张图片 I，我们从上一步中学习到的特征表达表示为 E(I)，那么迁移学习的目标就是要最小化以下损失：
这个式子很好理解：Dθ 是学习到的模型，ft(I) 是 ground truth，Lt 是损失函数。
这里作者考虑了以下几种情况：
首先是 accessibility。用于迁移的网络不能太复杂，不然特征不具有可迁移性，会使问题难以继续。因此，作者选用了一个浅层的卷积网络，用少量的数据去训练。
然后是高阶的迁移。不同于简单地对一个 source 任务的一种特征表达的迁移，作者在这里考虑了高阶任务，即多个不同任务共同进行迁移。也就是我们在迁移学习中说的 multi-source domain。如果有 k 阶，则需要迁移的任务就有
最后是 transitive transfer，就是可传递式的迁移。作者也考虑到了这一点，做 A→B→C 的迁移。不过文章说在实验中并没有发现传递迁移对效果的提升。
3. 任务相似性标准化
这一步的目标很明确，就是构建一个迁移学习的相似度矩阵，从中我们可以很清楚地知道哪两个任务迁移效果最好。如何构建？我们本能地想到，可以把上一步中训练的损失函数拿来用。然而，不同任务下的损失函数不具有可比性，因此不能用。自然地，我们又想到了归一化，把所有的结果归一化到 [0,1] 之间。这也是通常用的办法。但是问题又来了，通常来说，神经网络的损失函数具有很大的震荡幅度，直接拿来用是不可行的。
作者提出了一种基于序列的方法，使得训练的表现和损失函数的值呈正相关。对于目标任务 t，用矩阵 Wt 来表示可迁移到 t 的源域任务的表现。矩阵中的元素 wij 就表示：在同一个分出来的测试集上，源域 si 迁移到 t，比 sj 迁移到 t 的表现好的百分比。比如 s1 到 t 要比 s2 到 t 好 15%。这个矩阵表示的是两两之间的比较，因此作者形象地把它叫做 tournament matrix（锦标赛矩阵）。
得到这个矩阵以后，还想知道到底一个源域比另一个要好多少，也就是说，打败了对方多少次？作者又做了一些小操作，比较简单。详细步骤可以参考原文。
最后作者对得到的新矩阵进行了特征分解，则 si 到 t 的迁移表现就是第 i 个特征向量。把所有目标域 t 的特征向量组合起来就得到了一个相似度矩阵。这个矩阵是归一化过的。
这个方法不是作者发明的，是之前有人发明的，叫做 Analytic Hierarchy Process。
4. 计算可迁移图
得到任务相似度矩阵后，我们的事情就简单了。我们需要在这个矩阵里找一条路，选择从多个源域到 t 的这条路上，迁移表现最好。这可以被看作是一个子图选择（subgraph selection）的问题。在这个图中，任务是节点，迁移性和迁移效果是边。
作者使用了之前的 Boolean Integer Programming 的方法来解决来个寻找子图的问题。具体过程不再详细描述。
实验
实验部分是本文的重点。作者收集的数据集共包含 26 个计算机视觉的通用任务。在这些任务上，作者进行源领域训练、单一迁移、高阶迁移，一共构建了大约 3000 个学习任务，一共需要 47886 个 GPU 小时来进行计算。读到这里，我们基本可以洗洗睡了：有钱真的可以为所欲为！
实验所用的所有编码器都是相同的，都基于 ResNet-50，去掉了 pooling 层。所有的迁移网络用的都是包含 2 个卷积的网络。损失函数和解码器就相应地根据不同任务进行调整。调整方式可见文章。
作者在一部分数据上进行实验，把这部分数据进行了如下的划分：训练集 120k，验证集 16k，测试集 17k。主要进行了以下方面的实验：
目标网络的性能
作者首先比较了不迁移情况下，目标网络的性能，也就是方法部分中的第 1 步。对比两个最近的方法可以看出，文章的网络性能不错。
领域相似度情况
作者验证了根据构建出的相似度矩阵进行相似度挖掘的实验，对不同的任务都画出了迁移性能图。从图中就可以清楚地知道哪些任务是对目标任务的迁移效果好坏。
作者又进一步对这些结果进行了更好的图示。
新任务上的泛化能力
将一个任务作为目标任务，其他 25 个任务作为源领域任务，考察模型在新任务上的泛化能力。实现效果显示这种迁移会比当前一些最好的非迁移深度方法还要好。从中我们得出的结论是，如果能够选择好源域任务，那么通常来说迁移学习的表现都要比直接从目标领域训练要好。
模型的扩展性
另外，作者还在 MIT Place 和 ImageNet 两个大型图像数据集上测试了方法的可扩展性。并且根据迁移效果，构建了迁移树用于进一步分析迁移表现。
局限性
作者还在文章花费很多篇幅讨论了自己方法的局限性。主要有以下几点：
方法可能依赖于特定的数据和模型：尽管作者在不同的大型数据集上做了大量实验，作者依然担心，方法可能会依赖于特定的数据和网络。这么实诚的人不多了。
任务的通用性：作者只是在一些认为定义的任务上进行了实验。但有没有可能有更复杂更高级的任务？
任务空间限制：可能还需要更多的实验。迁移到非视觉和机器人任务。这是一个值得考虑的问题。
终身学习：此方法目前还是离线的。如何实现在线终身学习？
总结
本文最大的亮点是，构建了非常多的迁移学习任务，详尽地探索了不同任务之间进行迁移的效果，为以后的研究提供了宝贵的基础。方法比较朴素，但是实现完备，很值得我们学习。作者在探索之外，还专门提供了一个数据集，这种精神值得钦佩！我们在今后的研究中，也要学习这种实验精神，多做，少说，慢慢积累。 迁移到非视觉和机器人任务。这是一个值得考虑的问题。
终身学习。此方法目前还是离线的。如何实现在线终身学习？
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