NeurIPS 2022 | SlotCon: 以对象为中心的自监督表征学习

©作者 | 温鑫

单位 | 香港大学博士生

研究方向 | 自监督学习 & 概念发现

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2205.15288

代码链接：

https://github.com/CVMI-Lab/SlotCon

项目主页：

https://wen-xin.info/slotcon/

Slides:

https://wen-xin.info/res/papers/NeurIPS_2022_SlotCon_slides.pdf

Poster:

https://wen-xin.info/res/papers/NeurIPS_2022_SlotCon_poster.pdf

Object Discovery 旨在无监督地发现图像中的物体，而此前该领域中的工作长期局限于合成数据集。在发表于 NeurIPS 2022 的工作 Self-Supervised Visual Representation Learning with Semantic Grouping（SlotCon）中，我们试图传达这样的消息：在大规模真实世界图像数据上，无监督且可学习的 object discovery 是可行的，并且可以与 object-centric 自监督表征学习结合，互利彼此。

Context：基于场景数据的自监督预训练

▲ 左：object-centric 数据与 scene-centric 数据对比；右：建立在不同粒度 feature 上的对比学习范式。

这篇工作主要面向的问题是基于场景数据的自监督视觉表征学习（预训练）。传统的视觉预训练框架往往局限于类似 ImageNet 的 object-centric 数据集：每张图往往聚焦于一个醒目而单一的物体；而我们希望将这种范式推广到更为 general 的场景数据上（如 COCO）：每张图片上可能有多个物体，大小各异，且分布多样。

这种推广的好处是显而易见的：对收集数据有更低的要求、预训练数据与下游（检测与分割）数据有更小的 gap、单张图片包含的信息更为丰富。然而，直接将先前的图像级对比学习框架应用到场景数据上并不自然，因为现在代表一个图像的 vector 不再表示一个物体，而是一整个场景。

在上图右侧我们对比了三种不同的对比学习范式：两个 view 间对比学习 loss 的一致性关系建立在图像级、像素级，还是对象级表征之间。图像级表征对于场景数据过于粗糙，而像素级表征又过于精细，这条线的工作往往还要加一个图像级的 loss 来补充 high-level 的信息。

最右这种对于每种物体/语义单独表示，再在 object-level representation 之间进行对比学习的范式较好地平衡了表征的粒度，也更适合场景数据。然而，这里引出了一个关键问题：如何无监督地找到这些物体（object discovery）？

Object Discovery

▲ Objectness priors

往期工作为了获取 objectness prior，往往采用一些 hand-crafted method，例如 saliency，selective-search，传统分割方法，k-means clustering 等。然而这里有一个 concern：手工设计的 objectness prior 可能会限制所学 representation 的 upperbound，那么我们是否可以让 object discovery 这部分也 end-to-end 地学习呢？

Object discovery 其实也是个挺热门的领域（详细的 review 见 paper related work），但是这方面的工作一直主要局限于合成数据集（如 CLEVER），学习范式基本也是 autoencoder +重建。在真实场景数据 work 的工作往往基于视频，且依赖 motion 或 depth 作为 condition。

概括来讲，它们的 philosophy 都是基于 bottom-up 的策略（texture, motion, depth, ...）去获得 objectness，对于合成数据怎么搞都行，但是真实场景中 low-level cue 的组合就太过复杂，难以从单张图像中 compose 出 object。

这里我们转而采用 top-down 的策略，从整个 dataset 中总结 high-level 的共性：如上图右侧所示，我们学习一些含有语义的prototype（每个 prototype 绑定到不同语义），这样对于 feature map 中的每个 pixel，只需要 assign 它最近邻的 prototype 作为 label，单张图中 label 相同的 pixel 即构成了一个 object（严格意义上应当称为 semantic object）。

OK，听上去好像不错，那么这些 semantic prototype 从哪来？我们采用的技巧可以简单概括为 pixel-level deep clustering。Deep clustering 旨在于采用可学习的方式得到有意义的 prototypes，其核心 insight 为：同一张图的不同增广版本应当有同样的 prototype assignment（pseudo label），另外需要一些正则项来保证 prototypes 的多样性。

这个套路应用到 pixels 上也同样有效，并且在 unsupervised semantic segmentation 上也有成功的先例（PiCIE） 。我们的方法可以理解为综上技巧的有机结合。

方法概述

▲ SlotCon整体框架

我们的框架完全随机初始化，在没有任何 label 的情况下，end-to-end 地同时学习解决 object discovery 以及 object-centric representation learning 两个task。技术上，最最简单的理解可以认为是 pixel-level DINO+object level MoCo v3。

对于 object discovery，我们在 pixel-level assignment maps 上将两个 view 中的 overlap 区域切出来并在空间上 align 好，对于每个位置相同的 pixel-pair，要求其对 prototypes 的 assignment 一致；对于 representation learning，我们在 feature map 上将语意相同的 pixels 聚合到一起（称为 slot，即 object-level representation），在不同 view 间的 slots 上进行 contrastive learning。两个 objective 相互促进，共同优化。

实验

4.1 对representation learning的评估

这里和其他做 pretrain 的工作类似，只取 backbone 然后在 object detection/instance segmentation/semantic segmentation 任务上做 transfer learning 来做评估。

▲ COCO pretrain结果

我们在场景数据 pretrain 的基准 setting 为 COCO pretrain 800 epochs。在不采用 multi crop 这种 trick 以及不采用 objectness prior 的情况下，我们的方法相对于先前工作在所有下游任务上都体现了显著的提升。

▲ COCO+ pretrain结果

更进一步，我们把 COCO unlabeled 子集也加进来，构成 COCO+（大概两倍 COCO 大小），效果进一步显著提升。

更为激动人心的是，COCO+ 只有 ImageNet-1K 的 1/5 大小，而我们却可以得到和 ImageNet-1K 近似的表现，这说明我们的方法成功利用到了场景数据中蕴含的更为丰富的信息。

▲ ImageNet-1K pretrain结果

我们也汇报了在经典的 object-centric 数据集 ImageNet-1K 上 pretrain 的结果。在不针对检测任务做特别设计（带 FPN head 一起 pretrain），以及不利用 objectness prior 的情况下，我们的方法也有着不错的表现。

4.2 对object discovery的评估

▲ Unsupervised semantic segmentation结果

需要注意的是我们的框架 focus 在 representation learning，所以采用了很低的分辨率（7x7）。这里在 unsupervised semantic segmentation 上的评测只是为了对网络的 object discovery 能力有定性和定量的认识，而非在该 task 上提出一个新的 SOTA。这里 prototype 和真实 class 的匹配采用了 hungarian matching。尽管 boundary 并不太好，这个质量对于 pretraining 来说已经完全够用了。

▲ prototype可视化

我们进一步可视化了每个 prototype 的 nearest neighbors，如上图，prototypes 可以绑定到一系列不同的语义上，它们范围广泛，而且对物体大小或遮挡与否并不敏感。这个结果可以说非常有趣了。

4.3 消融实验

比较值得注意的消融实验有两个：一是要把 prototype 的数量设定在一个比较接近 pretrain 数据集真实语义数量的值（COCO 设 256）；二是 data augmentation 中 geometric augmentation 非常重要，如果一直采用两个 identical crops，模型就学不到 objectness，representation 质量也会明显下降。更详细的 ablation study 请参见 paper。

其他discussions

5.1 如何学到有意义的objects

经验上我们总结了3个关键点：

1. geometric covariance 和 photometric invariance：前者对应 resize，flip 等变换，后者对应 color jitter，gaussian blur 等变换。

2. 避免坍缩：follow deep clustering 中避免 prototypes 坍缩的技巧。

3. 把 prototype 数量设定在一个比较小，接近数据集真实 semantic 数量的数值（默认 COCO 采用 256，ImageNet 采用 2048）。

5.2 模型的bias

作为一个 learnable 的方法，总是要有些bias的。我们发现模型对 COCO 中的头部类别：human 相关概念有特别的偏好，会慷慨地分配很多 prototype 给与人相关的运动以及身体部位。我们分析是网络认为这样会更容易解决 pretext task。而对于更少出现的其他动物，分配一个 prototype 就好。如何更好的引入类别粒度的先验会是一个值得讨论的问题。

▲ 模型学到的human-related prototypes

而在更为极端的 pretrain 数据，例如自动驾驶场景上，模型表现也有一定程度降低。在这种长尾且多样性较差的场景数据上如何进行更有效的 pretrain 也是值得进一步研究的问题。

5.3 一些关于slots的数据

我们也统计了一些关于 slots 的数据。在训练过程中，随着模型表征能力与 object discovery 能力逐渐增强，每张图上的 slot 数量逐渐降低，最终收敛到与真实的平均单图物体数（7.3）接近的水平。至于每个 prototype 被激活的频率，则与真实类别分布类似（因为每个 prototype 绑定到一种语义）。

原文附录内容很丰富，欢迎check。

总结

我们的方法说明：自然场景的分解（scene decomposition）可以和 representation 一起 learn from scratch；semantic grouping 的范式让大规模真实场景图像数据中的 object discovery 成为可能；二者的结合促生了一种在场景数据上进行自监督预训练的有效方法。

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