对比学习（Contrastive Learning）在CV与NLP领域中的研究进展

Posted 2021-10-16 对白'

对比学习方法（CV）

对比学习要做什么？

有监督训练的典型问题，就是标注数据是有限的。

目前NLP领域的经验，自监督预训练使用的数据量越大，模型越复杂，那么模型能够吸收的知识越多，对下游任务效果来说越好。这可能是自从Bert出现以来，一再被反复证明。

所以对比学习的出现，是图像领域为了解决“在没有更大标注数据集的情况下，如何采用自监督预训练模式，来从中吸取图像本身的先验知识分布，得到一个预训练的模型”。

对比学习是自监督学习的一种，也就是说，不依赖标注数据，要从无标注图像中自己学习知识。

目前，对比学习貌似处于“无明确定义、有指导原则”的状态，它的指导原则是：通过自动构造相似实例和不相似实例，要求习得一个表示学习模型，通过这个模型，使得相似的实例在投影空间中比较接近，而不相似的实例在投影空间中距离比较远。

对比学习Paper都会涉及到的一些关键点：

• 如何构造相似实例，以及不相似实例；

• 如何构造能够遵循上述指导原则的表示学习模型结构；

• 以及如何防止模型坍塌(Model Collapse)；

SimCLR：一个典型的负例对比学习方法

SimCLR它是图像领域2020年ICML会议提出的，是一个比较“标准”的对比学习模型。

第一，它相对于之前的模型效果有明显的提升；第二，它采取对称结构，整体相对简洁清晰；第三，它奠定的结构，已成为其它对比学习模型的标准构成部分。

如何构造正负例

正例构造方法如上图所示。对于某张图片，我们从可能的增强操作集合T中，随机抽取两种：t1_T及t2T，分别作用在原始图像上，形成两张经过增强的新图像，两者互为正例。训练时，Batch内任意其它图像,都可做为x1或x2的负例。

对比学习希望习得某个表示模型，它能够将图片映射到某个投影空间，并在这个空间内拉近正例的距离，推远负例距离。也就是说，迫使表示模型能够忽略表面因素，学习图像的内在一致结构信息，即学会某些类型的不变性，比如遮挡不变性、旋转不变性、颜色不变性等。SimCLR证明了，如果能够同时融合多种图像增强操作，增加对比学习模型任务难度，对于对比学习效果有明显提升作用。

构造表示学习系统

指导原则：通过这个系统，将训练数据投影到某个表示空间内，并采取一定的方法，使得正例距离比较近，负例距离比较远。

上图展示了SimCLR模型的整体结构。是的，它是一个双塔模型，不过图像领域一般叫Branch（上下两个分支）。

我们随机从无标训练数据中取N个构成一个Batch，对于Batch里的任意图像，根据上述方法构造正例，形成两个图像增强视图：Aug1和Aug2。Aug1 和Aug2各自包含N个增强数据，并分别经过上下两个分支，对增强图像做非线性变换，这两个分支就是SimCLR设计出的表示学习所需的投影函数，负责将图像数据投影到某个表示空间。

以上分支为例。Aug1首先经过特征编码器Encoder（一般采用ResNet做为模型结构，这里以函数 fθ代表），经CNN转换成对应的特征表示 。之后，是另外一个非线性变换结构Projector（由[FC->BN->ReLU->FC]两层MLP构成，这里以函数 gθ代表），进一步将特征表示hi映射成另外一个空间里的向量zi。这样，增强图像经过 gθ(fθ(x)) 两次非线性变换，就将增强图像投影到了表示空间，下分枝的Aug2过程类似。（问题：为什么这种投影操作，要做两次：经验结果）。

对于Batch内某张图像x来说，在Aug1和Aug2里的对应的增强后图像分别是xi和xj，他们互为正例，而xi和Aug1及Aug2里除xj之外的其它任意2N-2个图像都互为负例。在经过变换后，增强图像被投影到表示空间。通过定义合适的损失函数，来实现“正例距离较近，负例距离较远”的目标。

距离度量函数

首先需要一个度量函数，以判断两个向量在投影空间里的距离远近，一般采用相似性函数来作为距离度量标准。

具体而言，相似性计算函数采取对表示向量L2正则后的点积或者表示向量间的Cosine相似性：

损失函数

损失函数很关键，SimCLR的损失函数采用InfoNCE Loss，某个例子对应的InfoNCE损失为：

其中代表两个正例相应的Embedding。

InfoNCE函数，分子部分鼓励正例相似度越高越好，也就是在表示空间内距离越近越好；而分母部分，则鼓励任意负例之间的向量相似度越低越好，也就是距离越远越好。

上面介绍了SimCLR的关键做法，本身这个过程，其实是标准的预训练模式；利用海量的无标注图像数据，根据对比学习指导原则，学习出好的Encoder模型以及它对应产生的特征表示。所谓好的Encoder，就是说输入图像，它能学会并抽取出关键特征，这个过程跟Bert模型通过MLM自监督预训练其实目的相同，只是做法有差异。学好Encoder后，可以在解决下游具体任务的时候，用学到的参数初始化Encoder中的ResNet模型，用下游任务标注数据来Fine-tuning模型参数，期待预训练阶段学到的知识对下游任务有迁移作用。由此可见，SimCLR看着有很多构件，比如Encoder、Projector、图像增强、InfoNCE损失函数，其实我们最后要的，只是Encoder，而其它所有构件以及损失函数，只是用于训练出高质量Encoder的辅助结构。目前所有对比学习模型都是如此，这点还请注意。

SimCLR的贡献，一个是证明了复合图像增强很重要；另外一个就是这个Projector结构。这两者结合，给对比学习系统带来很大的性能提升，将对比学习性能提升到或者超过了有监督模型，在此之后的对比学习模型，基本都采取了Encoder+Projector的两次映射结构，以及复合图像增强方法。

评判对比学习系统的标准

对比学习在做特征表示相似性计算时，要先对表示向量做L2正则，之后再做点积计算，或者直接采用Cosine相似性，为什么要这么做呢？

很多研究表明，把特征表示映射到单位超球面上，有很多好处。这里有两个关键，一个是单位长度，一个是超球面。首先，相比带有向量长度信息的点积，在去掉长度信息后的单位长度向量操作，能增加深度学习模型的训练稳定性。另外，当表示向量被映射到超球面上，如果模型的表示能力足够好，能够把相似的例子在超球面上聚集到较近区域，那么很容易使用线性分类器把某类和其它类区分开（参考上图）。在对比学习模型里，对学习到的表示向量进行L2正则，或者采用Cosine相似性，就等价于将表示向量投影到了单位超球面上进行相互比较。

很多对比学习模型相关实验也证明了：对表示向量进行L2正则能提升模型效果。

Alignment和Uniformity

论文 《Understanding Contrastive Representation Learning through Alignment and Uniformity on the Hypersphere》，对好的对比学习系统进行了探讨。它提出好的对比学习系统应该具备两个属性。

• **Alignment：**指的是相似的例子，也就是正例，映射到单位超球面后，应该有接近的特征，也即是说，在超球面上距离比较近

• **Uniformity：**指的是系统应该倾向在特征里保留尽可能多的信息，这等价于使得映射到单位超球面的特征，尽可能均匀地分布在球面上，分布得越均匀，意味着保留的信息越充分。分布均匀意味着两两有差异，也意味着各自保有独有信息，这代表信息保留充分。

模型坍塌（Collapse）

Uniformity特性的极端反例，是所有数据映射到单位超球面同一个点上，这极度违背了Uniformity原则，因为这代表所有数据的信息都被丢掉了，体现为数据极度不均匀得分布到了超球面同一个点上。也就是说，所有数据经过特征表示映射过程后，都收敛到了同一个常数解，一般将这种异常情况称为模型坍塌（Collapse）（参考上图）。

重新审视类似SimCLR结构的对比学习模型

可以看到，对比学习模型结构里的上下两个分枝，首先会将正例对，或者负例对，通过两次非线性映射，将训练数据投影到单位超球面上。然后通过体现优化目标的InfoNCE损失函数，来调整这些映射到单位超球面上的点之间的拓扑结构关系，希望能将正例在超球面上距离拉近，负例在超球面上推远。那么损失函数InfoNCE又是怎么达成这一点的呢？

分子部分体现出“Alignment”属性，它鼓励正例在单位超球面的距离越近越好；而分母里负例，则体现了“Uniformity”属性，它鼓励任意两对负例，在单位超球面上，两两距离越远越好。

**温度超参 τ 有什么作用呢？**目前很多实验表明，对比学习模型要想效果比较好，温度超参 τ 要设置一个比较小的数值，一般设置为0.1或者0.2。问题是：将这个超参设大或设小，它是如何影响模型优化过程的呢？目前的研究结果表明，InfoNCE是个能够感知负例难度的损失函数，而之所以能做到这点，主要依赖超参。

对比学习方法分类（图像）

如果从防止模型坍塌的不同方法角度，我们可大致把现有方法划分为四种：基于负例的对比学习方法、基于对比聚类的方法、基于不对称网络结构的方法，以及基于冗余消除损失函数的方法。

对比学习方法归类

基于负例的对比学习方法

所有在损失函数中采用负例的对比学习方法，都是靠负例的Uniformity特性，来防止模型坍塌的，这包括SimCLR系列及Moco系列等很多典型对比学习模型

基于对比聚类的方法

代表模型SwAV。

对于Batch内某张图像x来说，假设其经过图像增强Aug1和Aug2后，获得增强图像x1，x2，x1与x2则互为正例。x1走上分枝，x2走下分枝，SwAV对Aug1和Aug2中的表示向量，根据Sinkhorn-Knopp算法，在线对Batch内数据进行聚类。SwAV要求表示学习模型根据x1预测x2所在的类，同样的，也要求x2预测x1所在的类。

该方法要求某个投影点在超球面上，向另外一个投影点所属的聚类中心靠近，体现了Alignment原则；和其它聚类中心越远越好，这体现了Uniformity属性。

SwAV面临模型坍塌问题，具体表现形式为：Batch内所有实例都聚类到同一个类里。所以为了防止模型坍塌，SwAV对聚类增加了约束条件，要求Batch内实例比较均匀地聚类到不同的类别中。本质上，它与直接采用负例的对比学习模型，在防止模型坍塌方面作用机制是类似的，是一种隐形的负例。

基于不对称网络结构的方法

代表模型BYOL：只用正例来训练对比学习模型，靠上下分枝的结构不对称，防止模型坍塌。

基于冗余消除损失函数的方法

代表模型 Barlow Twins。

既没有使用负例，也没有使用不对称结构，主要靠替换了一个新的损失函数，可称之为“冗余消除损失函数”，来防止模型坍塌。

实验结果

目前绝大多数对比学习模型在做模型训练的时候，采用的是ImageNet数据集，在评测的时候，主要实验也是在ImageNet上做的，那么问题是：对比学习本质上是种自监督预训练模型，希望能够从ImageNet数据集上自监督地学到一些图像先验知识与结构。那么，这种从ImageNet数据集学到的知识，能否很好地迁移到其它数据集呢？

论文“How Well Do Self-Supervised Models Transfer?”对13个知名自监督模型，在40多种数据集上进行相对公平地对比测试，得出了一些很有价值的结论。

对比学习方法（NLP）

CV领域的对比学习研究在近两年风生水起，也逐渐影响到NLP领域，从2020年起，NLP领域逐渐有一些利用对比学习思想，自监督训练sentence-embedding的idea。

我自己的调研中，通过如何运用Contrastive Learning思想，分成两类:

• 损失联合方式自监督：将CL的loss和其他loss混合，通过联合优化，使CL起到效果：CLEAR，DeCLUTER，SCCL。

• 非联合方法自监督：构造增强样本，fine-tune模型：Bert-CT，ConSERT，SimCSE。

下面分别从背景、方案、数据增强方法和实验效果介绍几个典型模型。

损失联合方式自监督

1.CLEAR

链接：

https://arxiv.org/pdf/2012.15466.pdf

**背景：**作者认为，当前的预训练模型都是基于word-level的，没有基于sentence-level的目标，对sentence的效果不好。

**方案：**word-level和sentence-level的loss联合。

对比损失函数：

**数据增强方法：**token层

实验效果：

GLUE：

SentEval：

2.DeCLUTR

**链接：**https://arxiv.org/abs/2006.03659

**方案：**是一个不用训练数据的自监督的方法，是对pretrain过程的优化。

数据增强方法：

方案：选N个document组成一个batch，每个document取A个anchor，就有AN个，anchor取一个positive，也有AN个，共2AN个点。对于每一个点，除了和它组成正例的一对的2个，其他2AN-2都是负例

宗旨：认为距离anchor span越近的文本越相似，因此anchor span和它周边的span作为正例

用不同的Beta分布去限制anchor和positive span的长度，一般anchor比positive要长，而且anchor最长可以到512。

作者认为：

1. 长anchor可以让embedding达到同时表征sentence级别和paragraph级别的作用

2. 这样配置下游任务效果好 a)学到了global-to-local的信息 b)生成多个positive后可以获得diversity的信息

3. 因为一个batch里有多个文档，不同文档的span组成的负例是easy负例，同文档的span组成的负例是hard负例。

**实验效果：**对比学习过程中的ENCODER和MLM部分的Pretrained model是RoBerta和DistillRoBerta，pooling用的mean pooling。

**扩展知识：**Bert vs RoBerta vs AlBert

评测数据集是SentEval，SentEval是一个用于评估句子表征的工具包，包含 17 个下游任务，其输入是句子表示，输出是预测结果。

可以看到本文方案往往不是最优的那个，但是作者对比了 没用对比学习方法和用了对比学习方法（最后的Transformer-* VS DeCLUTER-*）的结果，说明了自己方案有效。

3.Supporting Clustering with Contrastive Learning

**链接：**https://arxiv.org/abs/2103.12953（NAACL 2021）

**背景：**在学习过程的开始阶段，不同的类别常常在表征空间中相互重叠，对如何实现不同类别之间的良好分离，带来了巨大的挑战。

**方案：**利用对比学习，去做更好的分离。通过联合优化top-down聚类损失和bottom-up 实体级别的对比loss，来达到同时优化intra-cluster和inter-cluster的目的。

分Instance-CL部分和Clustering部分两个部分。

Instance-CL：

1. 随机选M个样本组成一个batch，数据增强方法生成2M个样本，依然是从一个样本中生成的2个为一对正样本，和其他2M-2组成负样本

2. 数据增强方法：

3. 每个样本用InfoCNE去算loss， Instance-CL loss 为2M样本的平均值。

数据增强方法：

• WordNet Augmenter：用wordNet中的同义词进行替换；

• Contextual Augmenter：用pretrained model去找最合适的词去进行插入或替换；

• Paraphrase via back translation：翻译成一种语言再翻译回来；

实验效果：

非联合方式自监督

1.BERT-CT （ICLR2021）

**背景：**从各种预训练模型的某层中取出的embedding，并不能很好表征句子，而且越接近目标的层，效果越不好。作者认为训练目标极为重要。

**方案：**用两个超参不一样的模型来取sentence embedding，尽可能让正例对的点积更大，负例对的点积更小。

数据增强方法：

正例：同句子的不同embedding；

负例：随机选7个不同的句子；

实验效果：

2.SimCSE

**链接：**https://arxiv.org/abs/2104.08821

**背景：**直接用BERT句向量做无监督语义相似度计算效果会很差，任意两个句子的BERT句向量的相似度都相当高，其中一个原因是向量分布的非线性和奇异性，正好，对比学习的目标之一就是学习到分布均匀的向量表示，因此我们可以借助对比学习间接达到规整表示空间的效果，这又回到了正样本构建的问题上来，而本文的创新点之一正是无监督条件下的正样本构建。

**方案&数据增强方法：**本文作者提出可以通过随机采样dropout mask来生成xi+，回想一下，在标准的Transformer中，dropout mask被放置在全连接层和注意力求和操作上，其中z是随机生成的dropout mask，由于dropout mask是随机生成的，所以在训练阶段，将同一个样本分两次输入到同一个编码器中，我们会得到两个不同的表示向量z，z’，将z’作为正样本，则模型的训练目标为：

这种通过改变dropout mask生成正样本的方法可以看作是数据增强的最小形式，因为原样本和生成的正样本的语义是完全一致的(注意语义一致和语义相关的区别)，只是生成的embedding不同而已。

实验效果：

你好，我是对白，硕士毕业于清华，现大厂算法工程师，拿过八家大厂的SSP offer。

本科时独立创业五年，成立两家公司，并拿过总计三百多万元融资(已到账)，项目入选南京321高层次创业人才引进计划。创业做过无人机、机器人和互联网教育，保研后选择退出。

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