【综述专栏】小样本学习方法(FSL)演变过程

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来源：知乎—Curry

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本文重点介绍了下小样本学习方法(FSL)演变过程以及MAML和度量学习的区别所在。

小样本学习一般会简化为N-way K-shot问题，如图[1]。其中N代表类别数量，K代表每一类中(支持集)的样本量；

图[1] N-way K-shot

解决分类问题，人们最先想到的是采用传统监督学习的方式，直接在训练集上进行训练，在测试集上进行测试，如图[2]，但神经网络需要优化的参数量是巨大的，在少样本条件下，几乎都会发生过拟合；

图[2] 传统监督学习

为了解决上述问题，人们首先想到的是通过使用迁移学习+Fine-tune的方式，利用Base-classes中的大量数据进行网络训练，得到的Pre-trained模型迁移到Novel-classes进行Fine-tune，如图[3]。虽然是Pre-trained网络+Fine-tune微调可以避免部分情况的过拟合问题，但是当数据量很少的时候，仍然存在较大过拟合的风险。

图[3] Pre-trained网络+Fine-tune微调

接下来讲的就是小样本学习中极具分量的Meta-learning方法，现阶段绝大部分的小样本学习都使用的是Meta-learning方法。Meta-learning，即learn to learn，翻译成中文是元学习。Meta-learning共分为Training和Testing两个阶段，Training阶段的思路如图[4]。简单描述下流程：

1：将训练集采样成Support set和Query set两部分；

2：基于Support set生成一个分类模型    ；

3：利用模型对Query set进行分类预测生成predict labels；

4：通过query labels和predict labels进行Loss(e.g., cross entropy loss )计算，从而对分类模型 中的参数θ进行优化。

图[4] Meta-learning Training阶段思路

Testing阶段的思路如图[5]，利用Training阶段学来的分类模型    在Novel class的Support set上进行进一步学习，学到的模型对Novel class的Query set进行预测。

图[5] Meta-learning Testing阶段思路

介绍到这里，Meta-learning的整体流程的流程就介绍完了，如图[6];

现在反过来看，Meta-learning核心点之一是如何通过少量样本来学习这个    这个分类模型，即图[6]中的key部分。在这里引出了Meta-learning的两个主要方法：度量学习(Matrix-based Meta-learning)和MAML(Optimization-based Meta-learning)，本文简要介绍了二者的原理以及在处理小样本问题时的优缺点：

图[6] Meta-learning整体流程以及key point

首先介绍下度量学习（Metric Learning）：度量学习是一种空间映射的方法，其能够学习到一种特征（Embedding）空间，在此空间中，所有的数据都被转换成一个特征向量，并且相似样本的特征向量之间距离小，不相似样本的特征向量之间距离大，从而对数据进行区分。

以经典的原型网络Prototypical Networks为例，如图[7]：将Support set投影到一个度量空间，且在这个空间中同类样本距离较近，异类样本的距离较远。为了对Query set中的X进行预测，则将样本X投影至这个空间并计算X距哪个类别较近，则认为X属于哪个类别。

图[7] 原型网络Prototypical Networks

Meta-learner这一步采用度量方法的好处是：在生成    这个阶段不需要进行参数优化。ps：度量方法的思想来自机器学习算法(KNN,K-means,最近邻等算法)。距离通常使用欧氏距离和cos距离，深度度量学习主要的关键点是损失函数的设计。损失函数相关可以参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/82199561，本文不重点介绍。

接下来介绍下MAML(Model-Agnostic Meta-Learning)方法：与度量学习    使用度量方法构建不同，MAML采用的是    梯度下降优化方法。如图[8].

图[8] MAML参数更新原理

MAML的优点：

1：与标准的fine-tuning 方法一致，2：Model-agnostic: 适用于各种网络backbone.

MAML的缺点：

相比度量学习的投票方式，MAML需要学习的参数量更多，需要更多的算力；另外由于这个原因也导致没有办法训练大型网络；与其说MAML是为了解决小样本问题而生的，不如说MAML更适用于小样本学习问题。

最后想补充两点自己对元学习的理解：

1：元学习是通过优化loss来拟合query data，使得模型来逐渐适应这种小样本的学习方式；

2：从参数优化的角度来讲，模型学习的是一个通用的初始化参数，使得再遇到新任务时，通过训练可以快速收敛到最优解。

以上内容为个人总结，欢迎大家讨论。

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