谷歌提出Meta Pseudo Labels，刷新ImageNet上的SOTA！

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谷歌最新的研究论文提出了一种Meta Pseudo Labels的半监督学习方法（https://arxiv.org/pdf/2003.10580.pdf），刷新了ImageNet上的最高结果，终于终于，ImageNet的Top-1可以上90%了！

其实谷歌刷新的还是自己的记录，因为目前ImageNet上的SOTA还是由谷歌提出的EfficientNet-L2-NoisyStudent + SAM（88.6%）和ViT（88.55%）。

首先谷歌这篇paper所提出的方法Meta Pseudo Labels是一种半监督学习方法（a semi-supervised learning ），或者说是self-training方法。和谷歌之前的SOTA方法一样，这里当然用到了那个未公开的300M JFT数据集。不过这里把它们当成unlabeled的数据（和NoisyStudent一样，但ViT是用的labeled数据pretrain）。Meta Pseudo Labels可以看成是最简单的Pseudo Labels方法的改进，如下图所示。其实之前的SOTA方法Nosiy Student也是一种Pseudo Labels方法，如上图所示。

Meta Pseudo Labels要解决的是Pseudo Labels容易出现的confirmation bias：

if the pseudo labels are inaccurate, the student will learn from inaccurate data. As a result, the student may not get significantly better than the teacher. Overfitting to incorrect pseudo-labels predicted by the network is known as confirmation bias.

老师总会犯错，这就会带偏学生。谷歌提出的解决方案，是用学生在labeled数据集的表现来更新老师，就是上图中老师也是不断被训练的，有点强化学习的意味，就是student的preformance应该是teacher进化的一个reward。Meta Pseudo Labels其实也算是对模型训练过程的优化，为什么叫Meta，paper里面也给出解释：

We use Meta in our method name because our technique of deriving the teacher’s update rule from the student’s feedback is based on a bi-level optimization problem which appears frequently in the literature of meta-learning.

虽然思路很简单，但是paper里有非常复杂的推导，这里直接贴出伪代码（训练teacher时其实gradient包含三个部分：来自student的feedback，labeled数据loss，以及UDA loss）：

关于Meta Pseudo Labels的benefits，paper里面给出了一个toy case，这个效果让人震惊。简单来说，就是用TwoMoon dataset，这个数据集中共有两类，或者说是两个cluster，总数据是2000个，每个cluster共有1000个，现在每个cluster只有3个labeled数据，其它都是unlabeled的数据。作者在这样的一个任务上对比了三种方法：Supervised Learning, Pseudo Labels, and Meta Pseudo Labels，最终结果如下所示：

红色圈和绿色圈分别是两类的samples，星号表示labeled的6个数据，红色和绿色区域表示模型的分类区域，虽然3类方法都可以对6个训练样本正确分类，但具体到unlabeled的数据效果差别很大。SL方法基本过拟合了，分类区域完全不对；而Pseudo Labels分对了一半，但是Meta Pseudo Labels却找到了一个比较完美的classifier。虽然这个分类任务看起来不难（两个cluster有明显的边界），但是只有6个训练样本，这里finding a good classifier is hard。

当然Google也在论文里狠狠地秀了一把肌肉：

We thus design a hybrid model-data parallelism framework to run Meta Pseudo Labels. Specifically, our training process runs on a cluster of 2,048 TPUv3 cores.

论文最后的D2中说到：

Meta Pseudo Labels Is An Effective Regularization Strategy

这句话应该是对谷歌这个方法的一个较好的总结。

如果想了解更多论文的细节，可以直接看源码：

https://github.com/google-research/google-research/tree/master/meta_pseudo_labels

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