當使用監(jiān)督學習(Supervised Learning)對大量高質量的標記數(shù)據(jù)(Labeled Data)進行訓練時，神經(jīng)網(wǎng)絡模型會產(chǎn)生有競爭力的結果。例如，根據(jù)Paperswithcode網(wǎng)站統(tǒng)計，在ImageNet這一百萬量級的數(shù)據(jù)集上，傳統(tǒng)的監(jiān)督學習方法可以達到超過88%的準確率。然而，獲取大量有標簽的數(shù)據(jù)往往費時費力。

為了緩解對標注數(shù)據(jù)的依賴，「半監(jiān)督學習」(Semi-supervised Learning/SSL)致力于在僅有「少量」的標注數(shù)據(jù)時利用「大量無標簽」數(shù)據(jù)(Unlabeled Data)來提升模型的泛化性。半監(jiān)督學習亦是機器學習的重要主題之一。深度學習之前，這一領域的研究者們提出了諸如半監(jiān)督支持向量機、熵正則化、協(xié)同訓練等經(jīng)典算法。

深度半監(jiān)督學習

隨著深度學習的興起，「深度」半監(jiān)督學習算法也取得了長足的進步。同時，包括Google、Meta和微軟等在內的科技巨頭也認識到了半監(jiān)督學習在實際場景中的巨大潛力。例如，Google利用噪聲學生訓練(Noisy student training)這一半監(jiān)督算法提高了其在搜索方面的性能[1]。當前最具代表性的半監(jiān)督算法通常對標注數(shù)據(jù)使用交叉熵損失進行訓練，對無標注數(shù)據(jù)使用「一致性正則」技術(Consistency Regularization)鼓勵對輸入擾動進行不變預測。例如，Google在NeurIPS 2020提出的FixMatch[2]算法利用增強錨定(Augmentation Anchoring)和固定閾值(Fixed Thresholding)技術來增強模型對不同強增強數(shù)據(jù)的泛化性和減少噪聲偽標簽(Noisy Pseudo Labels)的影響。在訓練中，F(xiàn)ixMatch過濾了低于用戶指定(user-provided / pre-defined)閾值的無標簽數(shù)據(jù)。

微軟亞洲研究院與東京工業(yè)大學等在NeurIPS 2021合作提出的FlexMatch[3]則考慮到了「不同類」之間的學習難度不同，因此提出了「課程偽標簽」(Curriculum Pseudo Labeling)技術對于不同類應該采用不同的閾值。具體來說，對于容易學習的類別，模型應該設置高閾值以降低噪聲偽標簽的影響；對于難學習的類，模型應該設置低閾值鼓勵該類的擬合。每個類的學習難度評估取決于落入該類且高于固定值的未標記數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量。

同時，研究員和這些學校還合作提出了一個統(tǒng)一的基于Pytorch的半監(jiān)督方法代碼庫「TorchSSL」[4]，對該領域的深度方法、常用數(shù)據(jù)集、和基準結果進行了統(tǒng)一的支持。

當前「半監(jiān)督學習代碼庫存在的問題與挑戰(zhàn)」

盡管半監(jiān)督學習的發(fā)展如火如荼，但是，研究員們注意到目前大部分半監(jiān)督論文「只關注」計算機視覺 (CV) 分類任務，而「其他領域」（例如自然語言處理 (NLP)、音頻處理 (Audio)）研究者無法得知這些在CV任務上有效的算法是否依然有效。另外，大部分半監(jiān)督論文都是由谷歌，微軟等大型機構發(fā)表的，學術界的實驗室往往由于計算資源的限制不能一起推動半監(jiān)督領域的發(fā)展。總的來說，半監(jiān)督學習基準目前存在以下兩個問題：

（1）多樣性不足。現(xiàn)有的半監(jiān)督學習基準大多局限于計算機視覺 (CV) 分類任務（即 CIFAR-10/100，SVHN，STL-10 和 ImageNet 分類），「排除了對自然語言處理 (NLP)、音頻處理 (Audio) 等分類任務的一致和多樣化評估，而在NLP和Audio中缺乏足夠的標記數(shù)據(jù)也是一個普遍問題。」

（2）耗時且對學術界不友好?，F(xiàn)有的半監(jiān)督學習基準（如TorchSSL）通常是耗時且不環(huán)保的，因為它需要通常從頭開始訓練深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型。具體而言，使用 TorchSSL評估FixMatch[1]大約需要「300」個GPU日。如此高的訓練成本使得許多研究實驗室（尤其是學術界的實驗室或小研究團體）無法負擔得起SSL的相關研究，從而阻礙了SSL的進展。

USB: 任務多樣化和對研究者更友好的新基準庫

微軟亞洲研究院的研究員們聯(lián)合西湖大學、東京工業(yè)大學、卡內基梅隆大學、馬克斯-普朗克研究所等機構的研究人員們提出了「USB」：第一個將「視覺，語言，和音頻」分類任務進行統(tǒng)一的半監(jiān)督分類學習基準。相比于之前的半監(jiān)督學習基準(如TorchSSL)只關注少量視覺任務，該論文不僅引入更多樣化的應用領域，還「首次」利用視覺預訓練模型（Pretrained Vision Transformer）大大縮減了半監(jiān)督算法的驗證時間（「從7000GPU時縮減至900GPU時」），使得半監(jiān)督研究對研究者、特別是小研究團體更友好。USB的相關論文已被國際人工智能頂會NeurIPS 2022接收。

USB

「USB提供的解決方案」

那么，USB如何一次性解決當前半監(jiān)督基準存在的問題呢？研究員們進行了如下的改進：

（1）為增強任務多樣性，USB引入了5個CV 數(shù)據(jù)集，5個NLP數(shù)據(jù)集和5個音頻數(shù)據(jù)集提供了一個多樣化且具有挑戰(zhàn)性的基準，從而能夠對來自不同領域的多個任務進行一致的評估。下表提供了USB與TorchSSL的任務和訓練時間等方面的詳細對比。

（2）為提高訓練效率，研究員們將預訓練的Vision Transformer引入SSL，而不是從頭訓練ResNets。具體而言，研究員們發(fā)現(xiàn)在「不影響性能」的情況下使用預訓練模型可以大大減少訓練迭代次數(shù)（例如，將 CV 任務的訓練迭代次數(shù)從100萬步減少到「20」萬步）。（3）為了對研究人員更加友好，研究員們開源實現(xiàn)了14種 SSL算法并開源了一個模塊化代碼庫和相關的配置文件以供研究者輕松再現(xiàn)USB報告中的結果。為了快速上手，USB還提供詳細的文檔和教程。此外，USB還提供「pip包」以供使用者直接調用SSL算法。研究員們承諾未來會在USB中不斷加入新的算法（例如不平衡半監(jiān)督算法等）和更多更具挑戰(zhàn)性的數(shù)據(jù)集。

總結

半監(jiān)督學習通過利用大量無標簽數(shù)據(jù)來訓練更精確、更魯棒的模型，在未來有著重要的研究和應用價值。研究員們期待通過USB這一工作，能夠予力學術界和工業(yè)界在半監(jiān)督學習領域取得更大的進展。