作者 | Keqing He
学校 | 北京邮电大学硕士生
方向 | 自然语言处理, 对话系统
对比学习大火今天来和大家一起梳理下
对比学习定义
一种无监督的图像/文本的表示学习。
Motivation：人类往往是通过对比来学习区分事物的。模型无需学习到过于具体的细节（图像：像素级别；文本：词语级别），只需要学习到足以区分对象的高层次的特征。
与之前的有监督方法/无监督方法的区别：
图像领域的对比学习
对比学习广泛应用于图像领域的无监督表示学习，以MoCo(ICML2020)和SimCLR(2020)为代表，在ImageNet数据集上取得了显著的提升。「对比学习的核心在于如何构建正负样本集合」，图像领域一般通过旋转、裁剪等图片操作，而文本领域往往通过回译、字符插入删除等方法，这些方法依赖于领域经验，缺乏多样性和灵活性；因此，近期有一些论文（「Robust Pre-Training by Adversarial Contrastive Learning」）通过对抗攻击来做数据增强，获取正负样本，值得关注。
以下简单介绍几篇CV领域对比学习的代表作：
Deep InfoMax (DIM)：Learning Deep Representations by Mutual Information Estimation and Maximization
ICLR 2019，MSR Montreal&&MILA
DIM通过图像中的局部特征来构造对比学习任务。具体来说，构造二分类任务，要求模型判别全局特征和局部特征是否来自于同一幅图像：
全局特征为锚点（anchor），f(x)
正样本为来自同一张图像的局部特征，f(x+)
负样本为来自不同图像的局部特征，f(x-)
模型结构：
MoCo: Momentum Contrast for Unsupervised Visual Learning
CVPR2020，FAIR
为了增加训练时负样本的数量（负样本数量直接影响对比学习的性能，有研究表明本质上是hard negative sample引起的），「MoCo」提出使用动量编码器来编码负样本：使用一个队列用来缓存其他batch的图像表示，作为负样本动量编码器的参数是主编码器参数的滑动平均（moving average），因此其编码的负样本能同时保证时效性。
模型结构：
SimCLR: A Simple Framework for Contrastive Learning of Visual Representations
ICML 2020，Google Brain
「SimCLR」提出了一种简单的对比学习框架：让相同图像采样出来的view在表示空间内尽可能相近；不同图像采样出来的view尽可能远离。对比损失为batch内的交叉熵损失：
分子为positive pair；分母为1个positive pair和2N-2个negative pairs
模型结构：
本文还总结了各种图像增强方法：裁剪、翻转、旋转、高斯噪声、遮盖、颜色变换、滤镜等。
Unsupervised Learning of Visual Features by Contrasting Cluster Assignments
NIPS2020，FAIR，https://zhuanlan.zhihu.com/p/259975814[1]
对比学习需要很多负例进行比较，既耗时又耗内存，于是FAIR联合Inria也推出了一个新的方法「SwAV」。作者提出了一个新的想法：对各类样本进行聚类，然后去区分每类的类簇。模型结构如下：
Bootstrap Your Own Latent A New Approach to Self-Supervised Learning
Deepmind
在表示学习中，我们现在采用的框架本质是通过一个view的表示去预测相同图像其他view，能预测对说明抓住了图像的本质特征。但在做这样的预测时会有坍缩（collapse）的风险，意思是全都变成一个表示，那也可以做到预测自己。对比学习为了解决这个问题，将表示预测问题转换为了正负例判别问题，这样就迫使模型的输出是多样的，避免坍缩。于是「BYOL」的作者想：如何不用负例，也能学到好的表示呢？如果共用encoder，用MSE作为损失，缩小相同图像不同view的距离，肯定会坍缩。而作者发现如果把其中一个encoder变成随机初始化的固定下来（stop gradient），就能达到18.8%的准确率。为了得到更好的encoder，作者参考动量的方法对其中一个encoder做了改进：这里我们按照论文，称上半部分为online（更新梯度），下半部分为target（不更新梯度）。BYOL的优化目的是用online表示预测target表示，采用MSE作为损失函数。Online梯度回传后，使用滑动平均对targe的encoder和MLP参数进行更新。在预测阶段只使用 。虽然BYOL没有显示地使用对比学习loss，但一篇博主在实验中发现BYOL依靠的还是“对比”。他们在复现BYOL的时候直接基于了MoCo的代码，结果发现效果还没有随机的好，原来是因为MLP中没有加BN。如果深究BN的作用，就会发现它重新调整了输出的分布，避免坍缩，同时「BN也在隐式地进行对比，去除batch内样本相同的部分，保留不同的特征」。同时，在不依赖负样本后，BYOL对于数据增强方法的选择更加鲁棒，下面是它的效果：
Exploring Simple Siamese Representation Learning
FAIR
延续BYOL的思想，Chen Xinlei与何凯明大佬又对孪生网络进行了研究，发现stop-gradient是避免坍缩的关键，于是提出了「SimSiam」。SimSiam的结构非常简单：
左侧的编码器生成 ，经过MLP后输出
右侧的编码器生成
计算 与 的cosine相似度
左右调换，再计算 与 的cosine相似度
最大化3、4两个步骤的和，且右侧永远不传播梯度
训练步骤虽然简洁，但为什么work却有很多学问。简单的解释是，对于整体目标的优化可以看作一个EM过程，左右两边交替更新，所以在更新左侧encoder时可以将右侧看成常数。更多的细节可以参考『探索孪生神经网络：请停止你的梯度传递！』。
自然语言处理领域的对比学习
NLP领域的对比学习主要是借鉴自CV，主要在data augmentation方面有所不同。
改进语言模型预训练目标
CAPT: Contrastive Pre-Training for Learning Denoised Sequence Representations
语言模型预训练阶段目标改进
对于每一个batch的训练数据，通过mask、shuffle、replace等方法生成带噪声的batch
使用一个共享编码器（BERT）对输入文本进行编码
使batch内同一个样本编码后的表示相互接近；不同样本相互远离
整体看，就是SimCLR直接应用于文本
最终的对比学习损失和BERT的掩码预测损失相加，共同预训练整个模型
A Mutual Information Maximization Perspective of Language Representation Learning
ICLR 2020
语言模型预训练阶段目标改进
本文首先为现有的语言模型预训练目标（Skip-gram、MLM、NSP、XLNet等）建立了理论解释，认为它们都是在最大化相同样本两个view的互信息；如下表所示，不同的预训练目标在 a) view含义；b) 采样分布；c) 编码view的模型结构上有所区别。
在其理论解释的基础上，本文作者进一步提出了类似Deep InfoMax的训练目标，通过最大化局部语义和全局语义的互信息来预训练语言模型：
随机选择训练语料中的n-gram（x_(i:j)），将其mask，作为一个view（作为全局语义）
将mask掉的n-gram提取出来，作为另一个view（作为局部语义）
这两个view都通过Transformer进行编码，同时随机采样其他文本中的n-gram作为负样本，要求模型识别出正确的n-gram
预训练模型压缩、知识蒸馏
Contrastive Distillation on Intermediate Representations for Language Model Compression
EMNLP2020
将对比学习引入模型知识蒸馏中，使得Student模型能从Teacher的中间层表示中学习到信息。同一个样本，分别由Teacher模型和Student模型编码，作为对比学习的两个view。
消除文本表示中的社会偏见
FAIRFIL: CONTRASTIVE NEURAL DEBIASING METHOD FOR PRETRAINED TEXT ENCODERS
ICLR 2021，目前评分6677
将对比学习用于预训练语言模型去偏。
对某个保护属性，定义一系列反义概念，如
通过文本替换，获取同一个样本的增强版本（作为一个view）
训练目标要求最大化两个view编码的互信息 ，同时最小化文档和保护属性词之间的互信息 (这个损失可以理解n-gram负采样损失)
模型结构：
自监督构建摘要评价系统
Unsupervised Reference-Free Summary Quality Evaluation via Contrastive Learning
EMNLP2020
将对比学习用于构建摘要评价系统。
语义质量（Semantic Quality），即生成的摘要在语义上和原文的匹配程度。例如：是否覆盖原文的关键信息、和原文的一致性等等。
句法质量（Linguistic Quality），即在句法层面，生成摘要的流畅程度。
首先提出了一种基于BERT的模型指标评价方法，主要用于评价两方面的性能：
随后，作者通过构造自监督的辅助任务，利用对比损失训练摘要评价系统。通过规则对生成的摘要添加噪声：随机删除词语，添加额外句子，打乱词序。负样本和正样本分别和文档配对输入模型，构建对比损失（原始摘要和噪声摘要构建max-margin损失，注意这里只有样本内的损失，没有考虑不同文档之间的关系）。
对比学习中的数据增强方法探索
CoDA: Contrast-enhanced and Diversity-promoting Data Augmentation for Natural Language Understanding
ICLR2021
由于文本的离散属性，难以生成标签不变（Label Preserving）的增强版本，本文主要探索NLP领域中的数据增强策略，以及将其用于对比学习的效果。
本文研究了五种NLP领域的数据增强方法：
回译（back-translation）
c-BERT 词语替换（将某个词替换为[MASK]后，要求BERT恢复）
mixup（将两个样本线性叠加，x^′=αx_1+(1-α) x_2）
cutoff（随机将某个token或某个feature维度置0，如下图）
对抗训练（adversarial training）
此外还研究了增强方法之间的多种组合方式：
结论：Stack（回译+对抗）取得最优的效果。
Conclusion
对比学习的核心在于如何设计正负样本，挖掘负样本，甚至于无需负样本，都是研究热点。
NLP领域的数据增强方法并不统一，可以结合下游任务做一些创新。
对比学习除了应用于无监督表征学习外，引入到下游任务构建多任务学习也是很有研究价值。
对比学习结合对抗攻击。
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