本文介绍的是 CVPR 2020Oral论文《Cross-Batch Memory for Embedding Learning》，作者来自码隆科技。本篇论文解读首发于“码隆播报”公众号。作者 |码隆科技
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论文地址：https://arxiv.org/abs/1912.06798
开源地址：https://github.com/MalongTech/research-xbm本篇论文提出了 XBM 方法，能够用极小的代价，提供巨量的样本对，为 pair-based 的深度度量学习方法取得巨大的效果提升。这种提升难例挖掘效果的方式突破了过去两个传统思路：加权和聚类，并且效果也更加简单、直接，很好地解决了深度度量学习的痛点。XBM 在多个国际通用的图像搜索标准数据库上（比如 SOP、In-Shop 和 VehicleID 等)，取得了目前最好的结果。
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背景和动机
难例挖掘是深度度量学习领域中的核心问题，最近有颇多研究都通过改进采样或者加权方案来解决这一难题，目前主要两种思路：第一种思路是在 mini-batch 内下功夫，对于 mini-batch 内的样本对，从各种角度去衡量其难度，然后给予难样本对更高权重，比如 N-pairs、Lifted Struture Loss、MS Loss 使用的就是此种方案。第二种思路是在 mini-batch 的生成做文章，比如 HTL、Divide and Conquer，他们的做法虽然看上去各有不同，但是整体思路有异曲同工之处。大致思路都是对整个数据集进行聚类，每次生成 mini-batch 不是从整个数据集去采样，而是从一个子集，或者说一个聚类小簇中去采样。这样一来，由于采样范围本身更加集中，生成的 mini-batch 中难例的比例自然也会更大，某种程度上也能解决问题。然而，无论是第一种方法的额外注重难样本，还是第二种方法的小范围采样，他们的难例的挖掘能力其实依然有一个天花板——那就是 mini-batch 的大小。这个 mini-batch 的大小决定了在模型中单次迭代更新中，可以利用的样本对的总量。因此，即使是很精细的采样加权方法，在 mini-batch 大小有限的情况下，也很难有顶级的表现。我们在三个标准图像检索数据库上进行了实验，基于三种标准的 pair-based 方法，我们发现随着 mini-batch 变大，效果（Recall@1）大幅提升。实验结果如下图：
可以看出，随着 mini-batch 的增大，效果有显着提升。但是，在实际工业应用中 mini-batch 越大，训练所需要的 GPU 或 TPU 就越多，即使计算资源有充分保证，在多机多卡的训练过程中，如何在工程上保证通信的效率也是一个有挑战的问题。
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特征偏移
由此，我们希望另辟蹊径，得以在 mini-batch 有限的情况下，也能获得充足的难例样本对。首先，必须突破深度度量学习一直以来的一个思维局限——仅在对当前 mini-batch 里的样本对两两比较，形成样本对。以此我们引入了 XBM（Cross-batch Memory）这一方法来突破局限，跨越时空进行难例挖掘，把过去的 mini-batch 的样本提取的特征也拿过来与当前 mini-batch 作比较，构建样本对。
我们将样本特征随着模型训练的偏移量，称之为特征偏移（Feature Drift）。从上图我们发现，在训练的一开始，模型还没有稳定，特征剧烈变化，每过 100 次迭代，特征偏移大约 0.7 以上。但是，随着训练的进行，模型逐步稳定，特征的偏移也变小。我们称这个现象为慢偏移（Slow Drift），这是我们可以利用的一点。
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方法梗概
我们发现，虽然在训练的前 3K iterations，mini-batch 过去的提取特征与当前模型偏差很大，但是，随着训练时间的延长，过去的迭代里所提取过的特征，逐渐展示为当前模型的一个有效近似。我们要做的不过是把这些特征给存下来，每个特征不过是 128 个 float 的数组，即便我们存下了过去 100 个 mini-batch 的特征，不过是6400个（假设 batch size = 64）float 数组，所需要不过是几十 MB 的显存。而它带来的好处是显而易见的，我们能够组成的样本对的个数是仅仅利用当前 mini-batch 的一百倍。即便这些特征不能高精准地反映当前模型的信息，但是只要特征偏移在合理的范围内，这种数量上带来的好处，可以完全补足这种误差带来的副作用。具体来看，我们的 XBM 的方法架构大致如下：
伪代码如下：
我们的 XBM 从结构上非常简单清晰。我们先训练一个 epoch 左右，等待特征偏移变小。然后，我们使用 XBM：一个特征队列去记忆过去 mini-batch 的特征，每次迭代都会把当前 mini-batch 提取出来的新鲜特征加入队列，并把最旧的特征踢出队列，从而保证 XBM 里的特征尽量是最新的。每次去构建样本队列的时候，我们将当前 mini-batch 和 XBM 里的所有特征都进行配对比较，从而形成了巨量的样本对。如果说 XBM 存储了过去 100 个 mini-batch，那么其所产生的样本对就是基于 mini-batch 方法的 100 倍。不难发现，XBM 其实直接和过去基于样本对的方法结合，只需要把原来的 mini-batch 内的样本对换成当前 mini-batch 和 XBM 的特征构成的样本对就可以了。所以，我们通过 XBM 这种存储特征的机制，能够让不同时序的 mini-batch 的特征成功配对。
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消融实验一
首先，我们在三个常用的检索数据集，和三个基于样本对的深度学习的方法上，使用 XBM 进行测试，同时控制其他的设置全部不变。我们发现，XBM 带来的效果很明显。尤其是在最基本的对比损失（Contrastive Loss）上，可以看到，本来这个方法只利用 mini-batch 内的样本时，其效果并不显着，但是 XBM 带来了显着的效果提升。在三个数据集， Recall@1 都至少提升 10 个点，尤其是 VehicleID 数据集的最大（Large）测试集，效果提升了 22 个点，从 70.0 到 92.5。
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消融实验二
关于 mini-batch 的大小对结果的影响， 从上图可发现三点：1、无论是否使用 XBM，mini-batch 越大，效果越好；2、XBM 方法即便是使用很小的 batch (16)， 也比没有 XBM 使用大的 batch (256) 效果好；3、由于 XBM 本身可以提供正样本对，所以可以不一定要用 PK sampler 来生成 mini-batch，而是可以直接使用原始的 shuffle sampler，效果相似。
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计算资源消耗
下图我们展示了在 SOP 上训练 XBM 时的计算资源消耗，即便把整个训练集（50K+）的特征都加载到 XBM，不过需要 0.2GB 的显存；而如果是使用增大 batch 的方法，会额外需要 15GB 显存，是 XBM 的 80 倍，但是效果的提升比 XBM 差很多。毕竟 XBM 仅仅需要存特征，特征也是直过去的 mini-batch 的前向计算的结果，计算资源的需求很小。
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对比 SOTA
与最近的深度度量学习方法对比，我们在四个检索数据库上效果均大幅提升，这里仅列出 VehicleID 的效果，其他数据集的效果见原论文。
简单来说，不同于部分文章中使用更好的网络结构，更大的输出维度，或者更大的 mini-batch 来提升效果，强行 SOTA。我们列出 XBM 在 64 的 mini-batch 在不同的主干网络下及各种维度下的效果，其效果一直是最好的。
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可视化
更多可视化见论文补充材料，有更多实例说明效果。
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总结与展望
第一，本文提出的 XBM 方法能够记住过去的特征，使得模型的训练不再仅仅依靠当前 mini-batch 的样本，而是可以跨越时空进行样本配对。从而用极小的代价，提供了巨量的样本对，为 pair-based 的深度度量学习方法取得了巨大的效果提升。这种提升难例挖掘效果的方式，也是突破了过去两个传统思路：加权和聚类，并且效果也更加简单、直接，很好地解决了深度度量学习的痛点。第二，其实 Memory 机制并不是本文原创，但是用 Memory 来做难例挖掘是一个全新的尝试。同样在 CVPR 2020 获得 Oral，也是由 Kaiming He 作为一作的 MoCo 也是这种思路。本文的方法其实可以认为是 MoCo 在 ｍ=0 的特例，Kaiming 通过动量更新 key encoder，可以直接控制住特征偏移。作者认为，这种方法还会在很多任务带来提升，不局限于 Kaiming 的自监督表示学习，以及此前我们一直关注研究的度量学习（或者说监督表示学习）。第三，在本文中，虽然 XBM 在所有的 pair-based 的方法都有提升，但是明显在对比损失（Contrastive Loss）上提升最大，具体原因待考。另外，我们也把在无监督表示上表现很好的 infoNCE 方法用到了深度度量学习，但效果并不显着。作者认为这两个问题的答案是同一个，且有值得深究的价值，希望在后续研究中进行进一步跟进探索。
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