自监督学习

意义

经过海量无标签数据的学习后可以习得一个强大的特征提取器，在面对新的任务，尤其是医疗影像等小样本任务时,也能提取到较好的特征。

常见用途

相对位置预测:预测一张图像中随机选择的两个图像块之间的相对位置

图像修复:预测一张图像中被遮挡的部分拼图游戏:将图像中打乱的9个图像块复原

旋转角度预测:预测图像中物体的旋转角度

图像着色: Lab图像中利用L亮度通道，预测ab色彩通道

跨通道预测: L通道和ab通道相互预测
计数:预测鼻子、眼睛、爪子、头的数量

实例区分:分类，一张图像和其增强的图像为一类，和其他图像为不同类

对比预测编码: 根据“过去的”信息，预测“未来的”信息

基于对比学习的视觉自监督算法

概念

对比学习的概念很早就有了，它是无监督学习的一种方法。没有监督信息，又不需要重构数据，那如何学习呢? -- 数据增强+互信息

其核心是通过计算样本表示间的距离，拉近正样本，拉远负样本。也就是说，当我们能够区分该样本的正负例时，得到的表示就够用了

公式

1. 采样N个图片，用不同的数据增强方法为每个图片生成两个view

2. 分别将他们输入网络，获得编码表示y和y'
3. 对上下两批表示两两计算cosine，得到NxN的矩阵，每一行的对角线位置代表y和y’ 的相似度, 其余代表y和N-1个负例的相似度。对每一行做softmax分类，采用交叉熵损失作为loss，就得到对比学习的损失了

其中 t \ tau t 是可调节的系数，点乘后的结果的量级不适合 softmax运算，通过一个 t \tau t 系数控制

实现方式

end-to-end

使用当前batch中的样本作为dictionary

缺点：受限于GPU，batch不可能太大dictionary也就大不了

memory bank 存储队列

设立memory bank，把之前编码好的样本存储起来

存储好的编码都是之前的编码器计算的，而左侧编码器一直在更新.会有两侧不一致的情况，影响目标优化

MoCo

Moco解决了上述方法的劣势

损失函数

假设其中有一个 positive样本 k+ ，其余均是 negative 样本，则根据 nfoNCE 的损失，损失表示为:

其中 q 和 k+ 可以有多种构造方式。本文用了一种较为简单的方式:

(1) 一种图片进行 random resize;

（2）进行两次224*224的随机Crop得到两个图像分别作为 q 和 k+ ;

（3）进行增强操作，包括 random color jttering, random horizontal fliprandom grayscale conversion 等

用途

因为对比学习是看是否相似，所以可以用于检索，图搜图

基于mask的视觉自监督算法

随着 Vision Transformer (ViT) 在 2021 年霸榜各大数据集，如何基于 ViT 构建更加合适的自监督学习范式成为了该领域的一大问题。最初，DINO 和 MoCo v3 尝试将对比学习和 ViT相结合，取得了不错的效果。不过长期以来，由于 CV 和 NLP 领域数据和基础模型之间的差异NLP 的 Masked Language Modeling (MLM) 码模式机制没能成功应用于 CV 领域，但最近 ViT的逢勃发展，为掩码学习机制应用于视觉自监督打开了一扇大门。

实现方式

BEIT

受BERT的启发，作者提出了一个预训练任务，即 masked image modeling (MIM)MIM对每个图像使用两个视图，即图像patch和视觉token。作者将图像分割成一个网格的patches，这些patch是主于Transformer的输入表示。此外，作者将图像“tokenize”为离散视觉token，这是通过离散VAE的潜在代码获得的。在预训练期间作者随机mask部分图像patch，并将损坏的输入到Transformer。该模型学习恢复原始图像的视觉token，而不是mask patch的原始像素。

图像有两个表示视图，即图像patch 和视觉token 。这两种类型分别作为预训练的输入和输出表示。

Visual Token

目的：得到监督信号

通过离散变分自编码器 (DVAE)学习image tokenizer。在视觉token学习过程中，有两个模块，即tokenizer 和解码器。tokenizer据视觉码本(即词汇表)将图像像素x映射为离散的tokens z。解码器学习基于token z重建输入图像x。重建目标可以写成。由于潜在的视觉token是离散的，模型训练是不可微的。因此，作者采用Gumbel-softmax用来训练模型。此外，在dVAE训练过程中，在tokenizer上加入一个统一的先验。
作者将每个图像标记为14X14的视觉token grid。词汇表大小设置为8192。

Image Patch

2D图像被分割成一系列patch，以便标准Transformer可以直接接受图像数据。形式上，作者reshape图片H*W*C为个(H*W)/(P*P)个patch，其中C是通道数，(H，W) 是输入图像分辨率， (P，P) 是每个patch的分辨率。图像patch被展平成向量并线性投影，这类似于BERT中的单词嵌入。图像块保留原始像素，并在BEIT中用作输入特征。
在本文的实验中，作者将每幅224X 224的图像分割成一个14X14的图像网格，其中每个图像网格的大小为16X16。

下游任务

跨模态检索

任务: 给定文本或者图像任一模态的query，在其他模态的gallery中检索最相似的匹配结果

应用:电商商品检索 (以文搜图)

实现

Matching Function Learning，对应单塔结构中的ITM。

Representation Learning，对应双塔中的对比学习+余弦相似度

左侧跨模态相似性度量方法的主要思路是将图文特征进行融合，再经过隐层，目标是让隐层学习出可以度量跨模态相似度的函数。
右侧为公共空间特征学习方法，一般称为双塔结构是将图像和文本隐射到一个公共空间中得到分别得到多模态表示即最后一层的表示，从而可以直接使用cosine计算相似度，图像和文本相互独立没有交互，希冀于学习到一个优秀的表示就可以进行相似度度量。