多标签分类论文笔记 | ML-Decoder: Scalable and Versatile Classification Head

news2024/10/5 4:49:01

个人论文精读笔记，主要是翻译+心得，欢迎旁观，如果有兴趣可以在评论区留言，我们一起探讨。
Paper: https://arxiv.org/pdf/2111.12933.pdf
Code: https://github.com/Alibaba-MIIL/ML_Decoder

文章目录

0. 摘要
1. 介绍
2. 方法
- 2.1 Baseline分类头
- 2.2 回顾-Attention and Transformer-Decoder
- 2.3 ML-Decoder

0. 摘要

翻译
本文介绍了一种新的基于注意力的分类头——ML-Decoder。ML-Decoder通过查询预测类标签的存在，与全局平均池化相比，它能够更好地利用空间数据。通过重新设计解码器架构，并使用一种新颖的组解码方案，ML-Decoder具有很高的效率，并且可以很好地扩展到数千个类。与使用更大的主干相比，ML-Decoder始终提供更好的速度-精度权衡。ML-Decoder也是通用的——它可以作为各种分类头的临时替代品，并且在与单词查询操作时推广到不可见的类。新颖的查询扩充进一步提高了其泛化能力。使用ML-Decoder，我们在几个分类任务上取得了最先进的结果:在MS-COCO多标签上，我们达到了91.4%的mAP;在NUS-WIDE的zero-shot上，我们达到了31.1%的ZSL(Zero shot learning) mAP;在ImageNet单标签上，我们在没有额外数据或蒸馏的情况下，用vanilla ResNet50主干达到了80.7%的新最高分。
笔记
1. 摘要主要讲了下ML-Decoder不同于一般的全局平均池化，通过查询来预测类别能更好的利用空间信息；
2. 跟更大的backbone相比，ML-Decoder能更好权衡速度-精度；
3. ML-Decoder也是通用的——它可以作为各种分类头的临时替代品，并且在与单词查询操作时推广到不可见的类；
4. 最后展示了下实验数据，能在不同数据集上多标签分类的任务达到SOTA的性能；

1. 介绍

先说了一下图像分类的概念，可以根据图像中的物体分配一个或多个标签，那么分配一个标签的就是单分类，多个标签就是多分类。然后单分类需要对输出结果做softmax操作，softmax操作其实就是把输出的多个类别通过运算缩放到0~1之间的值，我们可以称为概率值，然后对于每个物体预测的所有类别之和为1，具体可以参考这篇博文。再说回多分类，其实自然图片通常包括多个对象，那么就需要多标签分类。然后作者介绍了下他的做法：类似处理多任务问题，分别独立地预测每个类别。然后介绍了业界一般的做法：通过图神经网络利用标签相关性，改进损失函数、预训练方法和主干，在多标签分类领域取得了显著的成功。

极端分类时，我们需要预测大量类的存在(通常是数千或更多)，迫使我们的模型和训练方案是高效和可扩展的。多标签零次学习(ZSL)是多标签分类的扩展，在推理过程中，网络尝试识别看不见的标签，即在训练过程中未使用的其他类别的标签。这通常是通过文本模型在可见类(用于训练)和不可见类之间共享知识来实现的。

分类网络通常包含主干和分类头。主干输出空间嵌入张量，分类头将空间嵌入张量转换为预测逻辑。在单标签分类中，这通常是通过全局平均池化 (GAP)完成的，然后是一个全连接层。基于GAP的分类头也用于多标签分类。然而，由于需要识别具有不同位置和大小的多个对象，这可能会使平均池的使用不是最优的。最近，一些研究提出了基于注意力分类头的多标签分类方法。有论文提出一种双流注意力框架，用于从全局图像到局部区域的多类别物体识别。还有论文提出了简单的空间注意分数，然后将其与类别无关的平均池化特征相结合。还有论文提出了一个具有可学习查询的池化transformer，用于多标签分类，获得了顶级结果。(具体哪篇论文请参考原文)

基于GAP的分类头简单而有效，并且由于它们具有固定的空间池化成本，因此可以很好地随类数量的增加而扩展。然而，它们提供了次优结果，并且不能直接应用于ZSL。基于注意力的分类头确实改善了结果，但通常成本很高，即使对于具有少量类别的数据集也是如此，并且对于极端的分类场景实际上是不可行的。它们也没有自然延伸到ZSL。

在本文中，我们介绍了一种新的分类头，称为ML-Decoder，它为单标签、多标签和零采样分类提供了统一的解决方案，并取得了最先进的结果(见图1)。ML-Decoder的设计基于原始的transformer-decoder，进行了两大修改，显著提高了其可扩展性和效率。首先，它通过去除冗余的自关注块，将解码器在输入查询数量上的二次依赖关系降低为线性依赖关系。其次，ML-Decoder使用一种新颖的组解码方案，它不是为每个类分配查询，而是使用固定数量的查询，这些查询通过称为组全连接(group
fully-connected)的新体系结构块插值到最终数量的类。使用组解码，ML-Decoder还享有固定的空间池成本，并且可以很好地扩展到数千个类。
在这里插入图片描述
ML-Decoder灵活高效。它可以用可学习的或固定的查询进行同样好的训练，并且可以在训练和推理期间使用不同的查询(见图2)。这些关键特性使ML-Decoder适合ZSL任务。当我们为每个类分配查询并使用单词查询训练MLdecoder时，它可以很好地泛化到看不见的查询，并显着改进了以前最先进的ZSL结果。我们还证明了组解码方案可以扩展到ZSL场景，并在训练过程中引入新的查询增强以进一步促进泛化。
在这里插入图片描述
本文的贡献可以总结如下:

我们提出了一种新的分类头，称为ML-Decoder，它为多标签、零标签和单标签分类提供了统一的解决方案，并具有最先进的结果。
ML-Decoder可以作为全局平均池化的替代方案。它简单而高效，与更大的主干或其他基于注意力的头相比，它提供了更好的速度和精度权衡。
ML-Decoder新颖的设计使其可扩展到分类数千类。互补的查询增强技术也提高了它对不可见类的通用性。
我们通过对常用分类数据集(MS-COCO、Open Images、NUS-WIDE、PASCAL-VOC和ImageNet)的综合实验验证了ML-Decoder的有效性。

笔记：
以上是翻译带一点补充，然后是Intro，是介绍关于分类、多分类各大家的做法，然后提出自己的做法，并且总结了下自己的贡献。比较关键的几点在最后的贡献也总结了，好像也没啥其他好写的了= =下面看具体的方法，方法我就不翻译了，直接带理解的做笔记。

2. 方法

先是回顾baseline分类头，包括 GAP-based 和 Attention-based。然后再介绍本文的重点ML-Decorder，包括他的优点以及介绍他在CV多重任务中什么适用的，多重任务当然就包括多标签分类、ZSL、单标签分类。

2.1 Baseline分类头

首先是统一一套框架，backbone+cls head的结构：
在这里插入图片描述
cls head又分为GAP-based和Attention-based，GAP-based就是用全局平均池化算子把backbone输出的tensort减到一维，然后全连接层转换为N个输出，N为类别，GAP通常处理单标签分类任务，有一定的泛化性，有些论文也把GAP作为多标签分类的baseline。
在这里插入图片描述