Data Augmentation by Pairing Samples for Images Classification

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关于作者：陈泰红，小米高级算法工程师，研究方向为人脸检测识别，手势识别与跟踪。
■ 论文 | Data Augmentation by Pairing Samples for Images Classification
■ 链接 | https://www.paperweekly.site/papers/1523
■ 作者 | chenhong

论文动机

这是 IBM 在 arXiv，2018 年 1 月 9 日新挂的一篇论文，主要研究数据增强。核心思想很简单，小学生都会，求平均值。这是我见到 CNN 领域最简单的一篇论文。
数据增强是机器学习任务中广泛使用的技术，如图像处理领域，人工标注数据成本昂贵，而 CNN 的训练有需要大量标注数据避免过拟合。图像处理领域常用的数据增强技术有旋转、扭曲、添加少量噪音、从原图像裁剪等。
本文提出了一种高效数据增强方式 SamplePairing：从训练集随机抽取的两幅图像叠加合成一个新的样本（像素取平均值），可以使训练集规模从 N 扩增到 N*N。没有任何公式，没有任何框架，简单易懂简洁明了，任何 CPU 都能处理。
论文在使用 GoogLeNet，在 ILSVRC 2012 数据集从 top-1 错误率从 33.5% 降低到 29%，在 CIFAR-10 数据集 top-1 错误率从 8.22％ 降低到 6.93％。这对训练集有限的任务而言，提高了模型的准确性。

模型介绍

论文的模型结构 SamplePairing 如上图所示。模型虽然很简单，但是还得消化一下为什么简单有效。
先说一下实现过程。训练图像 A 是随机的，从训练集随机抓取图像 B，（A 和 B 都是 ILSVRC2012 的图像，分辨率 256x256）两者都经过基本的数据增强（随机翻转，萃取），分辨率变为 224x224，对两幅图像求平均值，但是 label采用的是 A，之后送入 GoogLeNet 模型。因此，SamplePairing 随机从图像集中创建新的图像，而且 label B 未使用。
图像 A 和 B 在模型中的权重是一致的，即使使用大型网络，训练误差也不能变成 0，训练精度平均不能超过 50%。对于 N 分类器，最大训练精度是 0.5+1/(Nx2)。
尽管 SamplePairing 的训练精度不会很高，当停止 SamplePairing 作为最终微调时的训练，训练精度和验证精度很快改善。经过微调模型，使用 SamplePairing 训练的网络比未使用 SamplePairing 训练的模型都高很多。论文认为使用 SamplePairing 是一种正则化。
在 mix 之前有其他数据增强方式，在 CPU 执行，而反向传播的训练过程在 GPU 执行，这样 CPU 和 GPU 并行计算，没有限制增加总的训练时间。
论文的训练过程如下：
1. 先不使用 SamplePairing 数据增强训练，而是先使用传统的数据增强训练网络。
2. 完成一个 epoch（ILSVRC）或者 100 个 epoch（其他数据集），加入 SamplePairing 数据增强。
3. 间歇性禁止 SamplePairing。对于 ILSVRC 数据集，为 300,000 个图像启用 SamplePairing，然后为下一个 100,000 个图像禁用它。对于其他数据集，启用 8 个 epoch，在接下来的 2 个 epoch 禁止 SamplePairing。
4. 在训练损失函数和精度稳定后，禁止 SamplePairing 作为微调。

实验

论文的模型在多个数据集进行验证：ILSVRC 2012，CIFAR-10，CIFAR-100，以及 Street View House Numbers (SVHN) datasets。
以 CIFAR-10 为例，validation 误差一致在波浪形震荡，800epoch 之后才趋于稳定，此时误差才小于不使用 SamplePairing 的模型。
论文表 1 所示 training error 会增加，而 validation error 会减小，说明正则化效果明显。在 CIFAR 训练集减少样本个数，训练和验证误差相差不大。

文章评价

目前作者论文仅仅在 ILSVRC 2012 验证分类的错误率，其他数据集比如目标检测，语义分割是否有效？有研究能力的同志们赶紧往前冲，这又是一个坑。
论文给出一种数据增强方式，也用实验验证确实有效，但是为什么有效？
个人认为相当于随机引入噪声，在训练样本中人为引入误导性的训练样本。 如果不是 IBM 的论文，我估计也不会认真研究一番的。在论文满天飞的年代，名企名校名人还是占优势的。
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