人工智能 - ReLabel：自动将ImageNet转化成多标签数据集，更准确地有监督训练

人工标注数据集中普遍存在噪声，ReLabel能够自动且低成本地将原本的单标签数据集转化为多标签数据集，并且提出配合random crop使用的高效LabelPooling方法，能够更准确地指导分类网络的训练

来源：晓飞的算法工程笔记公众号

论文: Re-labeling ImageNet:from Single to Multi-Labels, from Global to Localized Labels

论文地址：https://arxiv.org/abs/2101.05022
论文代码：https://github.com/naver-ai/relabel_imagenet

Introduction

ImageNet数据集是图像识别领域很重要的数据集，数据集本身假设图片中只有一个目标，但是目前发现其中包含了很多噪声数据，很多图片实际上可能存在多个类别目标，这种情况就会误导网络的学习。此外，论文发现常用的Random crop数据增强方法会加剧这一现象，对验证集的每张图片进行100次Random crop，统计裁剪图片与原目标之间的IoU，结果如上面的图所示，IoU低于0.5的占比为76.5%，IoU为0的占比甚至高达8%，这显然会给训练带来极大的干扰。

为了解决这一问题，论文提出ReLabel，通过一个标注网络(machine annotator)取得图片的pixel-wise多标签标注$L\in \mathbb{R}^{H\times W\times C}$，该标注包含标签信息和位置信息，然后按该多标签标注信息将原本的单标签标注转化为多标签标注。论文也提出LabelPooling来配合Random crop使用，根据crop的区域与pixel-wise标注输出对应的多标签信息。区别于知识蒸馏，每张图片每次都需要forward计算，ReLabel方法仅需要每张图片进行一次forward计算，后续都是简单的比例计算，计算量较小。

Re-labeling ImageNet

由于人工标注的成本很高，论文采用了一个标注网络(machine annotator)获取pixel-wise标注，网络结构可以为任意sota网络，考虑到训练的耗时，取该网络在Super-ImageNet数据集上预训练模型，然后在ImageNet上进行fine-tuned。根据交叉熵损失函数的特性，虽然该标注网络是在单标签数据集上训练得到的，但由于数据集存在噪声，这使得网络潜在有多标签预测的能力。

由于我们希望获取pixel-wise多标签标注，将原网络的全局池化层去掉，并将后续的全连接层替换为$1\times 1$卷积层，修改后的网络$f(x)$的输出变为$L\in \mathbb{R}^{W\times H\times C}$，这便是我们需要的pixel-wise标注信息。

Training a Classifier with Dense Multi-labels

在获得多标签信息$L$后，训练时通过Label Pooling获取训练目标，如上图所示，与常规方法的主要区别如下：

常规的训练步骤不管random crop的结果，均赋予原图的单标签。
Label Pooling先获取图片对应的pixel-wise多标签信息，然后使用RoIAlign对random crop对应的区域进行特征提取，最后使用全局池化和softmax操作进行分类，得到多标签向量$[0,1]^C$。

使用ReLabel的训练流程可参考上面的伪代码，由于pixel-wise多标签标注是预先计算好的，所以采用ReLabel带来额外计算非常小。

Discussion

Space consumption

当使用EfficientNet-L2作为标注网络时，输入分辨率为$475\times 475$，输出的pixel-wise标注信息大小$L\in \mathbb{R}^{15\times 15\times 100}$，保存所有图片的完整标注信息大约需要1TB的存储。对于每一张图片，除了top-k类别外，其它类别的pixel-wise标注信息几乎都为0，所以可以只需要保存每张图片的top-5 pixel-wise标注信息，大约为10GB，相当于ImageNet数据集大小的10%。