论文笔记系列--iCaRL： Incremental Classifier and Representation Learning

title: 论文笔记系列--iCaRL： Incremental Classifier and Representation Learning

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导言

传统的神经网络都是基于固定的数据集进行训练学习的，一旦有新的，不同分布的数据进来，一般而言需要重新训练整个网络，这样费时费力，而且在实际应用场景中也不适用，所以增量学习应运而生。

增量学习主要旨在解决灾难性遗忘(Catastrophic-forgetting) 问题,本文将要介绍的《iCaRL： Incremental Classifier and Representation Learning》一文中对增量学习算法提出了如下三个要求：

a) 当新的类别在不同时间出现，它都是可训练的

b) 任何时间都在已经学习过的所有类别中有很好的分类效果

c) 计算能力与内存应该随着类别数的增加固定或者缓慢增长

有条件的可以去油管听听原作者对这篇论文的讲座：Christoph Lampert: iCaRL- incremental Classifier and Representation Learning

简要概括

本文提出的方法只需使用一部分旧数据而非全部旧数据就能同时训练得到分类器和数据特征从而实现增量学习。

大致流程如下：

1.使用特征提取器$φ(·)$对新旧数据的训练集(旧数据只取一部分)提取特征向量，并计算出各自的平均特征向量

2.通过最近均值分类算法(Nearest-Mean-of-Examplars) 计算出新旧数据测试集的预测值

3.在上面得到的预测值代入如下loss函数进行优化，最终得到模型。

本文的重点在上面三个步骤中用黑体标出，下面对这三个进行具体介绍

1.平均特征向量

这个其实很好理解，就是把某一类的图像的特征向量都计算出来，然后求均值，注意本文对于旧数据，只需要计算一部分的数据的特征向量。

什么意思呢？

假设我们现在已经训练了$s-1$个类别的数据了，记为$X^1,...,X^{s-1}$，因为通常内存资源有限，所以假设从每个旧数据类中选出一定数量的数据组成examplar sets，记为$P^1,...,P^{s-1}$。

然后现在又得到了$t-s$个新数据，记为$X^s,...,X^t$。同理我们也需要提取出一部分数据，记为$P^s,...,P^t$

如何选取数据可参见文末算法示意图。

有了新旧数据后，我们可以先将它们合并，记为$P={P^1,...,P^t}$，然后就可以使用特征提取器$φ(·)$计算每个类别的平均特征向量了。

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2.最近均值分类算法(Nearest-Mean-of-Examplars classification)

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算法第七行在文首给出的讲座中，使用的是$|φ(x)-μ_y|^2$。 emm... anyway，这不是重点，pass。

3.优化loss函数

机器学习归根到底其实就是优化，那么loss函数如何设定才能解决灾难性遗忘的问题呢？

本文的损失函数定义如下，由新数据分类loss和旧数据蒸馏loss组成。下面公式中的$g_y(x_i)$表示分类器，即$g_y(x)=\frac{1}{1+e^{-{w_y^Tφ(x)}}}$。

其实该想法其实是基于LWF这篇论文，LWF的loss函数如下：

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结果

本文最终结果如下图示，将iCaRL,fixed representation(feature extraction), fine-tuning和LWF进行了比较，可以看到iCaRL表现最好。

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讨论

需要说明的是iCaRL和LWF最大的不同点有如下：

• iCaRL在训练新数据时仍然需要使用到旧数据，而LWF完全不用。所以这也就是为什么LWF表现没有iCaRL好的原因，因为随着新数据的不断加入，LWF逐渐忘记了之前的数据特征。
• iCaRL提取特征的部分是固定的，只需要修改最后分类器的权重矩阵。而LWF是训练整个网络(下图给出了LWF和fine-tuning以及feature extraction的示意图)。

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选取数据算法示意图

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<b>MARSGGBO</b><b style="color:white;"><span style="font-size:25px;">♥</span>原创</b>

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2019-1-25<p></p>

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