CV和NLP中的无监督预训练(生成式BERT/iGPT和判别式SimCLR/SimCSE)

在之前的文章中讲过unsupervised learning主要分为生成式和判别式，那么unsupervised pretrain自然也分为生成式和判别式。目前CV和NLP都出现了非常强大的无监督预训练，并且在生成式和判别式都各有造诣，本文主要想归纳一下CV和NLP各自领域的生成式和判别式的代表作及设计思路。其中CV的生成式以iGPT为例，判别式以SimCLR为例；NLP的生成式以BERT为例，判别式以SimCSE为例。有意思的是，iGPT的灵感来源于BERT，而SimCSE的灵感来源于SimCLR，这充分展现了CV和NLP两个方向相互哺育，相辅相成的景象。

BERT

BERT之前主要有两种主流的无监督预训练方法：feature-based和fine-tuning。

feature-based方法

之前的ELMo无监督预训练属于feature-based的方法，先独立训练从左到右和从右到左的LSTM，然后将两部分输出conate得到的features直接应用于下游任务。

fine-tuning方法

GPT和BERT属于fine-tuning方法，fine-tuning方法预训练的features不直接应用于下游任务，需要针对下游任务进行fine-tuning。

GPT使用从左到右的单向Transformer进行预训练，然后针对下游任务进行fine-tuning。

BERT使用双向Transformer进行预训练，相较于GPT，更加充分的利用上下文信息，然后针对下游任务进行fine-tuning。

Input/Output Representations

为了BERT更好的应用于下游任务，BERT预训练的时候输入可以模糊表示，比如既可以表示成单个句子也可以表示成一对句子(<Question,Answer>)。输入的第一个token总是特指classification token [CLS]，对应的输出位置用来做分类任务。一对句子作为输入时，表示成单个序列，通过特殊的token [SEP]来分开不同句子，并且对每个输入token加上一个可学习的embedding来指示属于句子A还是属于句子B。如上面左图所示，将input embedding表示为E，token [CLS]对应的输出向量是C，第i个input token的输出是。

其中input embedding由Position Embeddings、Segment Embeddings和Token Embeddings三部分相加得到。Position Embeddings指示不同token的顺序，Segment Embeddings指示不同token属于哪个句子，Token Embeddings指示不同token的语义信息。

Pre-training BERT

BERT设计了两种无监督任务进行预训练，可以更好的应用到下游任务。

Task #1：Masked LM

为了训练一个深度双向的Transformer，BERT以一定比例随机mask掉一些输入tokens，然后对这些masked tokens进行预测，这个任务称之为Masked LM(MLM)，灵感来源于完形填空任务，通过上下文预测masked的word是什么，最终BERT采用了随机mask掉15%的输入tokens。

虽然Masked LM任务可以获得一个双向的预训练模型，但是预训练和fine-tuning存在着gap，因为fine-tuning的时候，输入是不存在[MASK]token的，为了缓解这种问题，实际训练的时候不总是采用[MASK] token来替换。其中[MASK] token有80%的概率被选中，random token有10%的概率被选中，还有10%的概率不改变token。

Task #2：Next Sentence Prediction(NSP)

很多下游任务是需要理解句子对之间的关系的，为了帮助下游任务更好的理解句子对之间的关系，BERT还设计了另一个预训练任务next sentence prediction(NSP)。具体的，选择句子A和句子B作为预训练的输入，有50%的概率B是A的下一个句子(标记为IsNext)，有50%的概率B不是A的下一个句子(标记为NotNext)，实际上就是一个二分类模型。如上面左图所示，C被用于NSP任务进行二分类。

iGPT

iGPT和BERT思路非常类似，只不过iGPT是在图像上进行的。

iGPT首先将输入图片resize然后reshape成1维序列。然后选择两种方法进行预训练，其中Autoregressive的目标是预测next pixel prediction(类似GPT单向模型)，BERT的目标是masked pixel prediction(类似BERT的MLM任务)。最后，iGPT用linear probes(直接使用feature，类似feature-based的方法)或着fine-tuning两种方法来评估学习到的特征。

iGPT可以通过图像的上下文信息预测出masked的pixel，跟BERT有着异曲同工之妙。

看一下iGPT的生成效果，iGPT可以通过已知的上下文内容对缺失部分进行补充，看起来非常的逻辑自洽啊，tql

SimCLR

SimCLR是一种非常简单直接的self-supervised方法。SimCLR框架流程如下：

1.对于每张输入图片随机进行数据增强得到两个不同的views，同一张图的两个views可以认为是positive pair。

2.每张输入图片的两个views通过相同的encoder产生两个表示向量。

3.每张输入图片的两个表示向量通过相同的projection head产生两个最终的向量。

4.最后对一个batch得到的最终向量进行对比学习，拉近positive pair，排斥negative pair。

对比学习的函数如下：

伪代码如下：

一个batch有N个图片，通过不同的数据增强产生2N个views，一个positive pair可以交换位置得到两个loss，因此可以将一对positive pair的loss写成positive pair交换位置的两个loss之和的平均值，那么总的loss则是2N个views的loss的平均值。

SimCSE

看到计算机视觉的self-supervised大获成功之后，自然语言处理也开始尝试self-supervised。其中SimCSE的方法非常的简单有效，在Sentence Embeddings的任务中大幅度超过之前的方法。

SimCSE名字应该是借鉴了SimCLR。SimCSE提出了两种方法，一种是Unsupervised SimCSE，另一种是Supervised SimCSE。

Unsupervised SimCSE的整体框架和SimCLR基本上保持一致。如图(a)所示，将同一个句子通过两种随机的mask得到两个postive pair(实线)，不同句子的mask句子是negative pair(虚线)，然后通过对比学习的方法，拉近positive pair，排斥negative pair。其中随机mask句子其实就是句子的数据增强，SimCSE实验发现随机mask掉10%效果最好。

Supervised SimCSE的positive pair和negative pair是有标注的。其中不同句子的entailment和contradiction都是negative pair，只有相同句子的entailment是positive pair。如图(b)所示，第一个句子跟自己的entailment是positive pair(实线)，跟其他句子的entailment/contradiction都是positive pair(虚线)。

上图align表示positive pair拉近的能力(越小越好)，uniform表示negative pair排斥的能力(越小越好)。最终SimCSE可视化分析发现，Unsup. SimCSE可以得到更好的align和uniform，SimCSE通过有标注的监督信号，可以进一步的提升align和uniform。

另外，SimCSE还有各种消融实验和可视化分析，非常精彩，建议看原文细细品味

总结

下面引用lecun的一张图，谈一谈对CV和NLP中无监督预训练的看法

lecun通过Low dim -> High dim、Discrete -> Continuous和Less uncertainty -> More uncertainty三个维度来表示CV和NLP中不同无监督方法的位置。文本是离散的，不确定性低，维度低；而图像是连续的，不确定性高，维度高。模态的不同，导致了无监督的处理方式上的不同。

NLP任务因为确定性更高，生成式无监督预训练方法可以非常好进行预测(如BERT)，而由于CV任务不确定性更高，导致需要设计更自由灵活的方法，对比方法相比于生成方法自由度更高，可能更加适合CV任务作为无监督预训练方法。

猜测未来NLP领域生成式和判别式会出现并存的局面，sentence级别任务倾向于使用判别式，word级别任务倾向于使用生成式。而CV领域判别式会占主导地位，一方面由于图像是二维的，生成式计算量会更庞大，另一方面判别式的自由度会更高一些。

Reference

[1] BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding

[2] Generative Pretraining from Pixels

[3] A Simple Framework for Contrastive Learning of Visual Representations

[4] SimCSE: Simple Contrastive Learning of Sentence Embeddings

[5] Self-supervised learning: The dark matter of intelligence (facebook.com)

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