【学界】 CVPR 2018最佳论文作者亲笔解读：研究视觉任务关联性的Taskonomy

2018 年 7 月 8 日 GAN生成式对抗网络

作者：沈博魁

来源：机器之心

本文作者沈博魁是斯坦福本科生／准博士生，也是 CVPR 2018 最佳论文《Taskonomy：Disentangling Task Transfer Learning》的共同二作。鉴于作者在 Poster Session时发现很多人对Taskonomy的理解有偏差，沈博魁在知乎写了一篇Taskonomy的中文解读，希望能对大家有帮助。很多专业词汇的中文翻译可能有偏差，希望大家见谅。如果有问题，欢迎大家评论私信。

➤ 细节请查看知乎文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/38425434

➤ Taskonomy的网站：taskonomy.stanford.edu

梗概

人类的视觉具备多种多样的能力，计算机视觉界基于此定义了许多不同的视觉任务。长远来看，计算机视觉着眼于解决大多数甚至所有视觉任务，但现有方法大多尝试将视觉任务逐一击破。这种方法造成了两个问题：

第一，逐一击破需要为每一项任务收集大量数据，随着任务数量的增多，这将会是不可行的。
第二，逐一击破会带来不同任务之间的冗余计算和重复学习。

一般来说，逐一击破的策略忽略了视觉任务之间的关联性，比如法线（Surface Normals）是由深度（Depth）求导得来，语义分割（Semantic Segmentation）又似乎和遮挡边缘测试（Occlusion edge detection）有着千丝万缕的关联。基于上述两个问题，我们希望能有效测量并利用视觉任务之间的关联来避免重复学习，从而用更少的数据学习我们感兴趣的一组任务。

Taskonomy是一项量化不同视觉任务之间关联、并利用这些关联来最优化学习策略的研究。如果两个视觉任务A、B具有关联性，那么在任务A中习得的representations理应可为解决任务B提供有效的统计信息。由此我们通过迁移学习计算了26个不同视觉任务之间的一阶以及高阶关联。

如图一，如果有预测法线的网络和预测遮挡边缘测试的网络，我们可以通过结合两个网络的representations来快速通过少量数据解决Reshading和点匹配 (Point matching)。基于这些关联，我们利用BIP (Binary Integer Programming) 求得对于一组我们感兴趣的任务，如何去最优分配训练数据量。比如，如果想最高效地解决10个问题，利用Taskonomy提供的学习策略可以减少2/3的训练数据量。

方法

简单概括，方法分为两个大阶段，四个小步。

第一大阶段涉及前三小步，我们要量化不同视觉任务之间的关联，并将任务关联表达成一个affinity matrix（关联矩阵）。

第二大阶段，也就是最后一小步，我们对求得的affinity matrix进行最优化，求得如何最高效地去学习一组任务。这个最高效的策略会由一个指向图 (directed graph) 来表示，我们称此指向图为Taskonomy。词语上Taskonomy是Task (任务) 和 Taxonomy (分类论) 的合并简称。

>>>> 问题定义

首先，我们来定义我们想要解决的问题。我们想在有限的监督预算γ下最大化我们在一组目标任务(target tasks) T = {t1,...,tn}上的表现。同时，我们有一组起始任务 (source tasks) S，其定义为我们可从零学习的任务。监督预算γ的定义为多少起始任务我们愿意从零开始学习（从零开始学习需要收集大量数据，监督预算表达了我们所面对的金钱、计算力和时间上的限制）。其中，

T \ S 代表了我们感兴趣但不能从零学习的任务，比如一个只能有少量数据的任务。
S \ T 代表了我们不感兴趣但可以从零学习（来帮助我们更好的学习𝓣）的任务，如jigsaw、colorization等自我监督的视觉任务。
T ∩ S 代表了我们既感兴趣又能从零学习的任务，但因为从零学习会消耗监督预算，我们希望从中选择出符合预算的一组从零学习，余下的通过少量数据的迁移学习来实现。

我们称 V = T ∪ S 为我们的任务词典 (task dictionary)。最后，我们对视觉任务t的定义为一个基于图片的方程 f(t)。

如下图所示，我们收集了一个有四百万张图片的数据题，每张图片均有26个不同视觉任务的标注 (ground truth)。这26个任务涵盖了2D的、3D的和语义的任务，构成了本项research的任务词典。因为这26个任务均有标答，S也为这26个任务。

下面，我们进入第一大阶段，量化视觉任务的关联。

>>>> 第一步：从零学习

对于每个起始任务，我们为其从零开始学习一个神经网络。为了能更好地控制变量从而比较任务关联，每个任务的神经网络具有相似的encoder-decoder结构。所有的encoder都是相同的类ResNet50结构。因为每个任务的output维度各不相同，decoder的结构对不同的任务各不相同，但都只有几层，远小于encoder的大小。

（注：CVPR poster session期间有人问起，decoder泛指readout functions，比如classification的FC Layers也算为decoder）

>>>> 第二步：迁移学习

如上图所示，对于每一对起始任务 s ∈ S 和目标任务 t ∈ T，我们将以s的representation作为输入来学习t。我们将冻结任务s的encoder 参数，并基于encoder的输出 (representations) 学习一个浅层神经网络read out function。

如下图所示，对于t，不同的起始任务的representation会对迁移表现造成不同的影响。更具关联的s会为t提供更有效的统计信息，从而仅用1/60的训练数据（相较于从零学习）就能取得不错的结果；相反不具备关联的s则并不能有此表现。因此，我们认为基于s的representation的迁移学习在t任务中的表现可以很好地代表了s之于t的关联性。

上述迁移代表了任务之间一对一的关联，我们称其为一阶关联。如下图，几个任务之间可能具有互补性，结合几个起始任务的representations会对解决目标任务起到帮助。因此，我们也研究了任务之间多对一的关联，我们称其问高阶关联。在这种情况下，我们concatenate几个起始任务的representation当作目标任务的输入，其余细节跟上段类似。

因为高阶的任务组合数量太大，我们基于一阶表现选择了一部分的组合进行迁移学习。对于小于五阶的高阶，我们根据一阶的表现，将前五的所有组合作为输入。对于n > 5阶，我们选择结合一阶表现前n的起始任务作为输入。

>>>> 第三步：Ordinal Normalization

这一步的目标为用一个affinity matrix量化任务之间的关联。虽然从上步习得的迁移网络中我们获得了许多的loss值，但因这些loss值来自于不同的loss 函数，它们的值域有很大差别。

如果我们把这些loss值直接放入一个矩阵（上图左，纵轴为目标任务、横轴为起始任务），那么这个矩阵内的值及其不均匀，并不能有效反应任务之间的关联。同时，简单的线性规范化也并不能解决问题，因为任务的loss值和表现并不构成线性关系（0.01的l2 loss并不代表其表现两倍好于0.02）。

由此，我们采用Ordinal Normalization（基于序数的规范化）来将loss值转换为关联度。该方法基于运筹学中的AHP (Analytic Hierarchy Process)。具体细节见论文或知乎，概括来讲，affinity matrix中的第 (i, j) 个值为利用第 i 个起始任务迁移后，其网络有多大的几率表现好于用第 j 个网络（我们在下文称其为 i 对于 j 的胜率）。

至此第一大阶段完结，我们通过上述affinity matrix量化了任务之间的关联性。

>>>> 第四步：BIP最优化

最后一步，我们要基于affinity matrix求得如何最有效地学习一组我们感兴趣的任务。我们可以这个问题想象成一个subgraph selection的问题：选择一些任务从零学习，剩下的任务用少量数据进行迁移学习，具体迁移学习的策略由subgraph中的edge来决定（对一条directed edge，起始点代表我们从零学习的一个任务，终点代表要进行迁移的目标任务）。基于此，我们可以通过解如下最优化问题来得到最优解：

这个最优问题有三个限制条件。

1. 如果我们选择了一个迁移，那么迁移的起始任务（可能为高阶起始集）和目标任务均要出现在subgraph中

2. 每个目标任务有且仅有一个迁移（我们将从零学习在途中定义为从自己到自己的迁移，即一条自己到自己的edge）

3. 不超过监督预算

这三个限制条件的具体数学表达如下：

至此，我们通过解最优subgraph selection从而获得了最有效迁移学习策略，如下图：

实验结果

Taskonomy项目训练了3000+个神经网络，总耗时～50000小时的GPU。从零学习消耗120k张图片，迁移学习为16k张图片。

我认为现有公众号对Taskonomy翻译中最不准确的是对Taskonomy实验部分的评论。如文章一开头所说，Taskonomy的目标为用有限的监督预算来最有效地解决一组任务，并不是将state of the art提高百分之几。本文想宣扬的中心思想是计算机视觉界应注重视觉任务间的关联性，并让这些关联性为我们所用。回到本文的具体用途，Taskonomy的用途有两个：

1. Taskonomy作为解决一组任务的方法。

2. 用Taskonomy的任务词典解决一个只有少量数据的新任务。

以下试验结果分为两个部分，分别对应以上两点。

>>>> 一：解决一组任务

如何衡量Taskonomy解决一组任务的有效性？我们设定了两个评判标准。

1. 迁移获利 (Gain) : 如果我们不进行迁移学习，我们只能基于少量的数据从零学习。迁移获利是指迁移学习相较于从零学习的胜率（见Ordinal Normalization部分）。

2. 迁移质量 (Quality) : 用少量数据迁移学习相较于用大量数据从零学习的胜率。

下图是Taskonomy的迁移获利 (左) 和质量 (右) 的图表。两图的纵轴为所有目标任务，横轴为监督预算，胜率在0-1之间。可见，对于一个26个任务的目标集，在只有一半甚至1/3的监督预算时，Taskonomy计算出的监督分配会使整体表现远远打败从零学习（迁移获利），并近似于（胜率超过40%）大量数据完全监督学习（迁移质量）。