MUTUAL MEAN-TEACHING: PSEUDO LABEL REFINERY FOR UNSUPERVISED DOMAIN ADAPTATION ON PERSON RE-IDENTIF

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论文

MUTUAL MEAN-TEACHING: PSEUDO LABEL REFINERY FOR UNSUPERVISED DOMAIN ADAPTATION ON PERSON RE-IDENTIFICATION

解决的问题

通俗说：

• reid任务在实际的使用中，即使是用大规模的数据集训练好的模型，如果直接部署于一个新的监控系统，由于领域差异会导致效果明显的下降。
• 无监督领域，行人重识别任务中目标域的类别通常与源域没有重叠。

具体问题：

• 减少伪标签噪声

推理思路

• 无监督领域中基于聚类的伪标签最有效且保持最优精度。

[2] X. Zhang, et al. Self-training with progressive augmentation for unsupervised cross-domain person re-identification. ICCV, 2019.
[3] F. Yang, et al. Self-similarity grouping: A simple unsupervised cross domain adaptation approach for person re-identification. ICCV, 2019.

• 无监督聚类存在伪标签噪声的问题。
• 伪标签如果为onehot形式的话就比较极端，要么一定对，要么一定错。
• 因此根据论文Bag of Tricks and A Strong Baseline for Deep Person Re-identification中的trick使用softlabel的原理，对onehot标签进行软化，例如：[0,1,0,0] -> [0.1,0.6,0.2,0.1]这样的标签更具有鲁棒性。
• 拿到了目标域的“软”伪标签直接计算损失监督自己是不可取的，这样只会错的更错，因此作者想到训练一个对称网络，在协同训练下进行相互监督来避免自身过拟合。

详细实现

1、pretrain部分：

• 使用不同的参数（代码中使用不同的随机种子实现）初始化两个相同的网络，在源域训练两个模型，对应图中Net 1和Net 2。

2、端到端部分：

• 使用pretrain的模型分别初始化Net1，Net2。第一次初始化MeanNet1参数与Net1相同，同理MeanNet2。
• 将数据Dt采用不同的随机增强方式分别输入Net1和Net2，得到特征kmeans聚类后可以得到每个样本的硬标签。
• 根据模型的输出Prediction和硬标签可以得到Net1和Net2的ce损失（loss_ce_1，loss_ce_2）和tri损失（loss_tri_1，loss_tri_2）。
• 同理将数据Dt采用不同的随机增强方式分别输入MeanNet1和MeanNet2，得到得到下面一行的prediction，作为软标签。
• 将Net1的Prediction作为预测，将MeanNet2的Prediction作为目标计算软ce损失（loss_ce_soft1）和软tri损失（loss_tri_soft1）。同理Net2得到（loss_ce_soft2）和（loss_tri_soft2）。
• 对应损失1：1结合得到loss_ce_soft、loss_tri_soft
• 最后总ce损失为：loss_ce_all = (loss_ce_1 + loss_ce_2)*(1-ce_soft_weight) + loss_ce_soft * ce_soft_weight
• 最后总tri损失为：loss_tri_all = (loss_tri_1 + loss_tri_2)*(1-tri_soft_weight) + loss_tri_soft * tri_soft_weight
• 其中ce_soft_weight = 0.5、tri_soft_weight = 0.8
• 最后的loss = loss_ce_all + loss_tri_all
• 使用这个损失反向传播更新Net1、Net2网络的参数。
• 使用更新后的Net1和Net2的参数与上一次的Net1、Net2参数加权求和更新MeanNet1和MeanNet2的参数。
• 迭代端到端部分2-12步。

MeanNet更新逻辑看代码比较清晰，最开始几个step主要以Net1、Net2反向传播更新的参数为主，越到后头更新的参数权重越低最终仅占0.001。

def _update_ema_variables(self, model, ema_model, alpha=0.999, global_step):alpha = min(1 - 1 / (global_step + 1), alpha)for ema_param, param in zip(ema_model.parameters(), model.parameters()):ema_param.data.mul_(alpha).add_(1 - alpha, param.data)

最终效果

一些问题

关于Kmeans的类别数取值：

Market1501测试集一个750类，根据实验结果k取500效果最好，700也有一些比较好的结果：

DUKE测试集一个702类，根据实验结果k取700效果最好：
因此感觉Kmean聚类的类别数接近真实类别数较好。实验可以在真是类别数附近测试，如果不知道真实类别数只能盲猜了。

损失设计使用软标签和硬标签结合，是否可以去掉其中一个？

仅看数据集Market->Duke，IBN+resnet50:

总结：硬三元损失对实验效果影响不大，其余都有一些提升，硬分类损失是框架得知目标域数据分布的关键，贡献最大。

软三元损失没有标签怎么取一对正负样本？

首先，硬三元损失计算的时候，因为知道标签类别，采用难样本挖掘的思想，一个batch的数据由M = P * K个样本构成，其中P为类别数，K为这个类别的图像数。遍历M个样本，在正样本中找到与当前样本欧氏距离最大的样本构建正样本对，在负样本中找到与当前样本欧式距离最小的样本构建负样本对。
作者实现代码：

	def forward(self, emb1, emb2, label):if self.normalize_feature:# equal to cosine similarityemb1 = F.normalize(emb1)emb2 = F.normalize(emb2)mat_dist = euclidean_dist(emb1, emb1)assert mat_dist.size(0) == mat_dist.size(1)N = mat_dist.size(0)mat_sim = label.expand(N, N).eq(label.expand(N, N).t()).float()dist_ap, dist_an, ap_idx, an_idx = _batch_hard(mat_dist, mat_sim, indice=True)assert dist_an.size(0)==dist_ap.size(0)triple_dist = torch.stack((dist_ap, dist_an), dim=1)triple_dist = F.log_softmax(triple_dist, dim=1)if (self.margin is not None):loss = (- self.margin * triple_dist[:,0] - (1 - self.margin) * triple_dist[:,1]).mean()return lossmat_dist_ref = euclidean_dist(emb2, emb2)dist_ap_ref = torch.gather(mat_dist_ref, 1, ap_idx.view(N,1).expand(N,N))[:,0]dist_an_ref = torch.gather(mat_dist_ref, 1, an_idx.view(N,1).expand(N,N))[:,0]triple_dist_ref = torch.stack((dist_ap_ref, dist_an_ref), dim=1)triple_dist_ref = F.softmax(triple_dist_ref, dim=1).detach()loss = (- triple_dist_ref * triple_dist).mean(0).sum()return loss

作者首先根据是否有margin来判断输出是Net1或者Net2编码特征的三元损失还是MeanNet编码特征与Net编码特征的三元损失的结合。

该函数的输入：em1是Net1或者Net2编码的特征，em2是对称的Mean Net的编码的特征，label是聚类的硬标签。
这一行代码：dist_ap, dist_an, ap_idx, an_idx = _batch_hard(mat_dist, mat_sim, indice=True)
是根据硬标签和em1的距离矩阵得到每个特征与正样本距离最大的正样本的索引与负样本距离最小的索引同时计算了这些样本的距离矩阵。就是找到了对应的最难的正负样本。
triple_dist = F.log_softmax(triple_dist, dim=1)计算了Net1或Net2输出特征根据硬标签的三元损失。
同理下面一段：triple_dist_ref = F.softmax(triple_dist_ref, dim=1).detach()计算了MeanNet1或MeanNet2输出特征根据硬标签的三元损失。
最后的loss为两者相乘：loss = (- triple_dist_ref * triple_dist).mean(0).sum()

为什么用时序平均模型更新参数？

作者实验发现用时序平均模型得到的软标签更加可靠。观察发现尽管最前期epoch会有很多错误，但是可以有效的防止偏差放大。

两个实验：用meanNet监督自己和用不加时序平均仅用当前参数监督自己的实验。