牛津大学|“不变信息聚类” :满足你对无监督深度聚类的一点幻想,Invariant Information Clustering

2019 年 5 月 31 日 极市平台

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来源:David 9的博客

已获作者授权,请勿二次转载


人类是如此擅长“无监督”,以至于我们经常用肤浅的认知作出荒谬的结论。——David 9


人类擅长“无监督”,往往是因为“滥用”过往的经验妄下结论; 而AI模型的“无监督”,是对数据“妄下”的结论。自从有了深度网络的“大锤”,曾经传统聚类的钉子(k-means, 谱聚类等)似乎都被敲了一遍。


图像聚类和图像分割的无监督,来自:https://arxiv.org/pdf/1807.06653.pdf

而强行结合传统聚类的深度学习方法,缺乏语义过滤,谁能保证选取的特征都是对聚类任务有意义的?(回过头还得做PCA和白化)


别忘了,人类妄下的结论,都是有语义因果(我们有内在逻辑)。而机器对数据妄下的结论,缺乏因果联系。


为了摒弃传统聚类和神经网络的强拼硬凑,IIC(不变信息聚类)被提出 。IIC没有用传统聚类,而是对CNN稍作改动,用互信息最大化目标函数和双输入(two head)CNN的架构:


IIC架构,来自:https://arxiv.org/pdf/1807.06653.pdf

重要的地方有3点,


一, CNN网络用了双输入(不要误以为用了两个CNN,注意虚线部分是共享权重的)。为了做到无监督,模型每拿到一张图片x,都对这张图片做一次转换操作(平移、旋转或crop)得到另一张图片x’ 。因此,训练时是两次正向传播 + 一次反向传播的模式,把x,x’两张图片的两个输出z,z’一次性得到再做loss计算。


二, loss采用了互信息最大化目标函数 



为了让模型总能在图像中辨认出(过滤出)相同类别的对象,与交叉熵(cross entropy)不同的是,最大互信息诱导出的z不会是杂乱无章的(cross entropy是对所有位一起做loss惩罚的)。最大互信息会类似one hot key,诱导每一位独立代表一个类别。


三,IIC可以用overclustering做类别更多的聚类(把那些难以聚类的对象放在更多的抽屉)。对IIC来说只要把输出的z,z’ 维数进行扩大 。


综上,IIC极力让模型学到:“当对象类别一致时,网络输出z也应该非常相似”,而最大互信息使得网络输出z有了更强的语义(对应的类别)。


比较违反直觉的是,这种无监督纯粹是把每张图像平移,旋转或crop得到成对图片的,模型最后能在这些成对图片中找到较好的聚类模式:


来自:https://github.com/xu-ji/IIC


参考文献:

  1. Invariant Information Clustering for Unsupervised Image Classification and Segmentation (https://arxiv.org/pdf/1807.06653.pdf)

  2. https://github.com/xu-ji/IIC



本文采用署名 – 非商业性使用 – 禁止演绎 3.0 中国大陆许可协议进行许可。著作权属于“David 9的博客”原创,如需转载,请联系邮箱:yanchao727@gmail.com


原文:

http://nooverfit.com/wp/%E4%B8%8D%E5%8F%98%E4%BF%A1%E6%81%AF%E8%81%9A%E7%B1%BB%EF%BC%9A%E6%BB%A1%E8%B6%B3%E4%BD%A0%E5%AF%B9%E6%97%A0%E7%9B%91%E7%9D%A3%E6%B7%B1%E5%BA%A6%E8%81%9A%E7%B1%BB%E7%9A%84%E4%B8%80%E7%82%B9/





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