2022华为全球校园AI算法精英赛：季军方案！
2022华为全球校园AI算法精英赛：季军方案！
Datawhale干货
作者：鲤鱼，西安交通大学，人工智能学院
笔者鲤鱼，是西安交通大学人工智能学院的一名研究生，在2022华为全球校园AI算法精英赛的赛道二取得了季军的成绩。
初赛阶段一直名列A榜的榜首，复赛前几天也一直处于A榜榜首。虽然最后一天翻车了，但每次切换测试数据集都能取得稳定的优势，模型的泛化性能应该是比较强的，只是可惜最后输在了一些后处理的trick上，现提供一些思路，仅供参考。
如需作者完整PPT，可在Datawhale后台回复关键词 季军 下载。
赛题理解
本次华为全球校园AI算法精英赛的赛道二——车道渲染数据质量检测赛题。地图数据渲染生成过程中，部分数据会存在诸如缺边少角，异形道路等缺陷，本赛题旨在探索可靠的高精度质检模型。
赛事信息：华为全球校园AI算法精英赛-CV赛题。
问题图片的范围包括：中心线问题、停止线问题、引导面问题、路肩问题、路面问题、箭头问题、车道线问题
整个问题为经典的图像分类问题，赛题方提供了7种异常类别的细粒度标注，所以整体思路可以建模为“二分类”或者“多分类（8类：正常类别+7个异常类别）”问题。
数据分析
我们统计了有标签训练集的样本分步，如图1所示，可以看出存在以下两个特点：
- 长尾分布比较明显，各个类别样本严重不均衡。
- 在异常的类别中，第6类“引导面”的占比最大。（说句题外话：本赛题复赛最后的第一名就是针对第六类单独统计了一些像素值，最后通过这些像素值的统计特征将第6类摘出来了，正好第六类占比比较大，弯道超车，属实佩服👍🏻）
图1：有标签训练集的样本分布
此外，我们还统计了有标注数据集的尺寸大小，发现主要是2400*1080的尺寸，长宽比悬殊但比较固定，且尺寸较大。我们尝试过resize成方形的方式进行训练，发现效果不如等比例缩放来的好。所以最终我们将长宽都缩小到了原来的四分之一，在保证训练效果的同时，也节省了显存开销。
图2：有标签训练样本的图片尺寸统计
数据增强
对于大部分比赛而言，合适的数据增强都有奇效，但一般很难吃准什么增强有效，所以大家只能盲目尝试。但笔者一直认为高端的食材只需要简单的烹饪，所以我们只采用了比较基础的数据增强方式（对比度、水平翻转这些）。这里不太适合做那种几何变换的数据增强，否则很容易破坏掉原图的语义结构。
当然，我们观察训练集的标注，发现存在一张照片同属于多个异常类别这个问题，这表明图像可能同时存在多个异常，所以我们采用mixup的增强方式来提升模型分辨不同问题图片的能力。
模型设计
对于分类问题来说，笔者一直觉得大道至简，各种花里胡哨的attention操作有时候还比不上简单纯粹的分类网络，只是需要掌握合适的烹饪手法，才能做出美味的佳肴。这里给出了笔者采用的网络架构。
图3：网络架构
当然，由于这个比赛比较特殊，存在大量的无标注数据，充分利用大量的无标注数据对模型性能的提升影响很大，所以我们的模型最终采用了三阶段的训练方式。
图4：模型训练方式
训练方式如下：
- Step1：即先通过有标注数据进行监督训练，然后为大量的无标注数据打标签；
- Step2：接着利用无标注数据进行半监督预训练；
- Step3：最后将预训练模型拿来初始化监督网络，利用有标注数据进行finetune。
当然，我们也尝试过将二三阶段合并在一起，但效果不太好。主要是由于无标注数据样本太多，有标注数据太少，有标注数据很容易淹没在无标注数据中。
当然有余力的同学可以尝试通过MAE的方式预训练一个模型拿来初始化，但笔者受限于算力环境，不太容易训收敛，所以没采用这种方式，不过这也是一个很好的预训练方式。
实践证明，合理的利用无标注数据进行预训练对泛化性和AUC提升很大。经过分析，发现主要原因可能在于无标注数据的规模比较大，测试集的分布更加接近无标注数据集的分布，故而利用好无标注数据就是一把大杀器。
记得初赛阶段切换过一次数据，在原有4000张测试样本的基础上增加了6000张测试样本，我们发现切换数据后大家的模型性能都遇到了显著的下降，这里我们统计了增加前四千张和增加的六千张的概率分布图，发现差异还比较大。
图5：分布不一致的解决
通过我们半监督预训练的方式，增加的六千张的概率分布图由蓝线变成绿线，和红线更靠近，从而缩小了两部分的差异，大幅提升了分数。所以模型训练的关键就在于合理地利用无标注数据进行预训练，利用测试集与无标注数据的相似性进行调参炼丹。
消融实验
我们也做了一些消融实验，发现存在一些特点
- 二分类转8分类问题，监督信号变强，使得模型性能有了较大的提升
- 半监督预训练，虽然线下分数变化不大，但线上提升巨大，与其他选手拉开了差距
图6：不同方法线下验证结果
图7：初赛与复赛的分数变化图
方案优势
综上所述，我们的方案主要有以下几方面的优势：
- 对于无标注数据的高效利用（使用半监督标注手段对无标注数据进行标注）
- 多阶段建模（创新性的使用半监督方式预训练模型，再利用真实标注进行finetune）
- 较强的模型泛化能力（从初赛开始，每一次换数据或者切榜都能取得稳定优势）