Рубрика «Читаем статьи за вас». Январь — Июнь 201916.10.2019 14:48

Привет, Хабр! Продолжаем публиковать рецензии на научные статьи от членов сообщества Open Data Science из канала #article_essense. Хотите получать их раньше всех — вступайте в сообщество!

Статьи на сегодня:

Neural Ordinary Differential Equations (University of Toronto, 2019)
Semi-Unsupervised Learning with Deep Generative Models: Clustering and Classifying using Ultra-Sparse Labels (University of Oxford, The Alan Turing Institute, London, 2019)
Uncovering and Mitigating Algorithmic Bias through Learned Latent Structure (Massachusetts Institute of Technology, Harvard University, 2019)
Deep reinforcement learning from human preferences (OpenAI, DeepMind, 2017)
Exploring Randomly Wired Neural Networks for Image Recognition (Facebook AI Research, 2019)
Photofeeler-D3: A Neural Network with Voter Modeling for Dating Photo Rating (Photofeeler Inc., 2019)
MixMatch: A Holistic Approach to Semi-Supervised Learning (Google Reasearch, 2019)
Divide and Conquer the Embedding Space for Metric Learning (Heidelberg University, 2019)

Ссылки на прошлые сборники серии:

1. Neural Ordinary Differential Equations

Авторы статьи: Ricky T.Q. Chen, Yulia Rubanova, Jesse Bettencourt, David Duvenaud (University of Toronto, 2019)
→ Оригинал статьи
Автор обзора: Георгий Игнатов (в слэке a2dy2n7okhtp)
NIPS Best Paper Award

Авторы статьи заметили, что ResNet-like сети очень похожи на метод Эйлера для решения дифференциальных уравнений. Если так, то почему бы сразу не довести идею до максимума: представим нейронную сеть в виде дифференциального уравнения и получим

Сеть с произвольным количеством слоев, которое можно менять в любое время при тренировке и на инференсе. Больше слоев → больше точность и плавность преобразований (и наоборот).
Гораздо меньшее количество параметров, следовательно, меньшие затраты памяти.

NODE через аналогии:

$h_n = f_n (h_{n-1}, W) + h_{n-1}$ — так выглядит определение выхода со слоя n в resnet-like сети, W — параметры.
$h_n = f(h_{n-1}, t=n, W) + h_{n-1}$ — так могла бы выглядеть NODE-like сеть при условии, что n — дискретная величина.
$h_n \sim a f(t_n) + h_{n-1}$ , — метод Эйлера.
— ta-da! ODE-powered нейронная сеть.

Решаем любым black-box ODEsolver’ом, прокидываем градиенты с помощью adjoint sensitivity method (Pontryagin et al., 1962). Благодаря полной дифференцируемости, NODE можно комбинировать с обычными нейронными сетями. Авторы выложили код на pytorch.

В статье рассматривается 3 применения:

Сравнение с ResNet-like архитектурой (на MNIST). NODE работает практически не хуже, при этом используя в 3 раза меньше параметров.
Переопределение normalized flows через NODE — Continous Normalized Flows (синтетический датасет). Новая модель снижает вычислительные затраты с O (n_hidden_units^3) до линейных.
Моделирование временных событий с нерегулярными наблюдениями (синтетический датасет). Был сгенерирован датасет спиральных траекторий из которых рандомно насемплили точки посыпав : salt: гауссовским шумом для правдоподобности. На нем проверили обычную RNN и NODE, и вторая снова показала себя лучше.

Мелким шрифтом:

Обучение минибатчами вызывает некоторый оверхед по вычислениям, но авторы утверждают, что на практике это почти незаметно.
Появляются два новых гиперпараметра: глубина сети и error tolerance при решении ODE.
Чтобы решение ODE оставалось уникальным, сеть должна иметь конечные веса и использовать Lipshitz nonlinearities, например, tanh или relu.

Ссылка на более детальный обзор на habr.

2. Semi-Unsupervised Learning with Deep Generative Models: Clustering and Classifying using Ultra-Sparse Labels

Авторы статьи: Matthew Willetts, Stephen Roberts and Christopher Holmes
(University of Oxford, The Alan Turing Institute, London, 2019)
→ Оригинал статьи
Автор обзора: Алекс Широн (в слэке shiron8bit)

Авторы рассматривают semi-unsupervised случай для задачи классификации, когда в разметке данных вследствие selection bias часть присутствующих классов вообще не была никак размечена, да и по известным классам данных размечено не так уж и много. Это создает дополнительные проблемы, поскольку большая часть моделей обычно работает либо в semi-supervised/supervised-режиме (классификация), либо в unsupervised (кластеризация), а в данном случае нам нужно учитывать оба варианта. При этом применение semi-supervised алгоритмов может привести к тому, что неразмеченные данные будут отнесены по некоторой метрике близости к неверным классам. Гипотетический пример таких данных — набор сканов опухолей. Мы взяли часть данных и разметили все присутствующие на этой части виды опухолей, но оказалось, что в оставшихся данных присутствуют и другие виды опухолей, да и вариативность известных видов в разметке была отражена не полностью.

Авторы вдохновились глубокими генеративными моделями (самый простой пример такой модели с единичной глубиной слоя скрытых переменных — вариационный автоэнкодер, он же VAE): в предыдущих работах такие модели успешно справлялись как с semi-supervised случаем (M2, ADGM), так и с кластеризацией (VaDE, GM-VAE).

Почему бы не решать 2 задачи одновременно (semi-supervised обучение на редко размеченных классах и unsupervised на неразмеченных), сохраняя общим пространство выучиваемых скрытых (latent) переменных и объединив идеи из вышеупомянутых моделей? Именно эта идея и лежит в основе предлагаемых в статье моделей GM-DGM/AGM-DGM.

Рассмотрим модель M2 в semi-supervised случае. Она так называется, потому что под M1 создатель подразумевал последовательное обучение VAE и какого-нибудь классификатора (svm) для получающихся латентных представлений z, а вот уже M2 получается из VAE добавлением к слою скрытых переменных переменной y, отвечающей за иногда наблюдаемый класс.
$p_{\theta}(x,y,z)=p_{\theta}(x|y,z)p(y)p(z)$ , $q_{\pi}(z,y|x)=q_{\pi}(z|y,x)q_{\pi}(y|x)$
где $q_{\phi}(y|x)=Cat(\pi_{\phi}(x))$ , $q_{\phi}(z|x,y)=N(z|\mu_{\phi}(x,y), \Sigma_{\phi}(x,y))$
Здесь q — энкодер, p — декодер, часть $q_{\phi}(y|x)$ — непосредственно тренируемый классификатор.

Для unsupervised/semi-unsupervised случая M2 не работает — наступает posterior collapse, классификационная часть q_phi (y|x) коллапсирует к априорному распределению p (y). Автор GM-VAE в своей статье также показал неработоспособность M2 на практике и заметил, что зачастую при реализации M2 первый слой декодера h1 очень напоминает смесь гауссиан.

Исходя из этого наблюдения, в GM-VAE для кластеризации используется явный слой скрытых переменных для моделирования смеси гауссиан, что также повторяют и авторы обозреваемой статьи.Таким образом, модель GM-DGM, позволяющая успешно работать в semi-unsupervised режиме, представляет из себя модификацию VAE с использованием смеси гауссиан в скрытом слое, зависящей от переменной класса y, с описанной выше функцией из двух слагаемых для подсчета и максимизации ELBO.

Авторы статьи провели эксперимент на semi-unsupervised версии Fashion-MNIST: убрали лейблы первых 5 классов, у оставшихся 5 классов оставили по 5% лейблов, при этом получили итоговую точность 77.2% против 53% для M2. Также была показана возможность использования модели для кластеризации (что неудивительно, ведь это почти GM-VAE).

3. Uncovering and Mitigating Algorithmic Bias through Learned Latent Structure

Авторы статьи: Alexander Amini, Ava Soleimany, Wilko Schwarting, Sangeeta N. Bhatia, Daniela Rus (Massachusetts Institute of Technology, Harvard University, 2019)
→ Оригинал статьи
Автор обзора: Алекс Широн (в слэке shiron8bit)

В последнее время все чаще в медиа можно встретить новости, затрагивающие тему bias«ов в данных, особенно относительно алгоритмов, связанных с лицами — с ростом их применимости растет риск сильного негативного влияния на те категории и группы людей, которые недостаточным (или избыточным) образом представлены в датасете. Один из последних примеров — исследование, показавшее меньшую точность детекции пешеходов с темным цветом кожи (в контексте object detection на стандартных для данной задачи датасетах BDD100K и MSCOCO, ссылка).Основные подходы к устранению биасов:

Балансировка классов при помощи ресэмплинга (требует априорного понимания скрытой структуры данных).
Генерирование несмещенных данных (например, применение GAN для генерирования лиц с бОльшим разнообразием оттенков кожи).
Кластеризация и последующий ресэмплинг.
Можно еще подождать, когда на academictorrents завезут IBM Diversity in Faces dataset.

Авторы статьи же предлагают модификацию VAE и сэмплинг с учетом распределения латентной переменной z, позволяющие уменьшать влияние bias в данных на этапе тренировки.
Итак, основные идеи, стоящие за DB-VAE, таковы:

Рассмотрим проблему классификации, в которой у нас есть обучающий датасет {(x, y)}, x — m-мерные фичи, y — d-мерные лейблы, а наша задача — аппроксимировать отображение X→Y.
Возьмем VAE, но заставим энкодер в дополнение к вектору скрытых переменных z размерности 2k (напомню, 2 тут потому что имеем дело со средними и дисперсиями) выучивать еще и вектор размерности d, отвечающий за вышеупомянутые лейблы. При этом декодер принимает на вход только вектор z. Таким образом, получаем подобие semi-supervised обучения, где часть модели выучивается реконструировать инпут, а часть — решать специфическую задачу (классификацию).
Контролируем обучение модели за счет комбинированного лосса, сочетающего в себе стандартный для VAE лосс (реконструкция + KL-дивергенция) и лосс для вcпомогательной задачи (например, кросс-энтропию для задачи бинарной классификации).
Особое внимание уделяется тому, что нужно контролировать обучение на данных, которые вы не хотите подвергать debiasing«у (то есть не делать на них backprop из декодера).

Наиважнейшую роль в устранении боли негров играет адаптивный сэмплинг на этапе обучения. Мы хотим выбирать редкие (с точки зрения каких-то скрытых, не выделенных явно факторов) сэмплы, поэтому обратимся к гистограммам по каждой из размерностей пространства скрытых переменных z, произведением которых можем аппроксимировать распределение Q (z|X) данных по всему пространству Z. При формировании нового батча будем учитывать «обратное» к Q (z|X) распределение W (z (x)|X), определяющее вероятность выбрать пример в батч (alpha — гиперпараметр, определяющий степень debiasing«а), обновляя Q (z|X) на каждой эпохе. Как видим, debiasing не выбирается заранее, а производится на основании выучиваемых латентных переменных.

В качестве эксперимента авторы решали задачу бинарной классификации (нахождение лица на фото). Для обучения собрали датасет, который состоял из 200 тысяч лиц с CelebA и 200 тысяч не-лиц c Imagenet, ресайзили изображения до 64×64. Как и говорилось ранее, при обучении блокировался backpropagation из декодера для фотографий без лиц (y=0). После обучения валидировались на Pilot Parliaments Benchmark (PPB) (1270 фотографий людей из парламентов ЮАР, Руанды, Сенегала, Швеции, Финляндии, Исландии): для всех alpha>0 точность детекции по категориям dark male, dark female, light female возросла по сравнению с вариантом без debiasing.

4. Deep reinforcement learning from human preferences

Авторы статьи: Paul Christiano, Jan Leike, Tom B. Brown, Miljan Martic, Shane Legg, Dario Amodei (OpenAI, DeepMind, 2017)
→ Оригинал статьи
Автор обзора: Дмитрий Никулин (в слэке dniku)

Статья про то, как реализовать старую идею в контексте deep reinforcement learning (RL). Идея: давайте будем просить человека оценивать поведение агента, и на основе этого выучим reward function. Проблема в том, что deep RL очень прожорлив, а время человека дорого. В статье приводится набор хаков, которые позволяют свести человекочасы до разумных значений.

Reward function — это функция на парах (observation, action). Она задаётся усреднением предсказания ансамбля нейросетей. Используемые RL-алгоритмы (в статье A2C для Atari и TRPO для Mujoco) считают, что это среднее является истинной наградой, и обучаются на него. Таким образом, статья фокусируется на вопросе обучения этого ансамбля.

Ансамбль обучается на человеческих оценках. Каждая оценка устроена так. Человеку показывают две видеозаписи агента длиной 1–2 секунды. Он может оценить такую пару 4 способами: left is better / right is better / too similar / uncomparable. Если человек сказал «uncomparable», то такая оценка выбрасывается. В противном случае запоминается тройка (σ¹, σ², μ), где σⁱ — траектория агента в соответствующем видео (т.е. список пар (obs, act)), а μ — это пара (1, 0), (0, 1) или (½, ½). Далее, считается, что предсказание награды за траекторию равно сумме предсказаний за каждую пару (obs, act). Наконец, мы просто оптимизируем softmax_cross_entropy_with_logits.

Считается, что человек с вероятностью 10% выбирает случайный ответ, и это учитывается при построении обучающей выборки. В разделе 2.2.3 статьи приведены ещё несколько трюков и выписаны все формулы.

Пары клипов для демонстрации человеку выбираются так: сэмплируется большое количество клипов, на них считается дисперсия ансамбля, и людям показываются случайные пары клипов с высокой дисперсией. Авторы говорят, что хотелось бы выбирать согласно ценности информации, но это future work.

Авторы гоняют тесты на Atari и Mujoco, с настоящими человеческими оценками (hired contractors) и синтетическими (оценки генерируются согласно истинной функции reward), и заодно сравниваются с обычным RL. При примерно равных количествах оценок синтетические и реальные тесты работают похоже. При этом, что удивительно, обычный RL (который видит истинную функцию reward) совсем не обязательно работает лучше.

Наконец, помимо попыток обучить агента получать много reward в обычном смысле, в статье также приводят примеры двух других задач: Hopper в Mujoco делает сальто назад, а машинка в Atari Enduro не обгоняет другие машины, а едет параллельно им. Обе задачи получилось решить.

В заключение: в примере описывается попытка воспроизвести эту статью. Попытка увенчалась успехом, но для этого потребовалось 8 месяцев работы в свободное время и 220 часов чистого времени, из которых половина ушла на отладку простейшей версии.

5. Exploring Randomly Wired Neural Networks for Image Recognition

Авторы статьи: Saining Xie, Alexander Kirillov, Ross Girshick, Kaiming He (Facebook AI Research, 2019)
→ Оригинал статьи
Автор обзора: Егор Панфилов (в слэке tutk1ja)

Введение:

В работе затрагивается вопрос генерации архитектуры нейросетей. На текущий момент известны многие архитектурные трюки (LSTM, Inception, ResNet, DenseNet), которые позволяют улучшить качество на многих задачах, но они же вносят в модель определённый сильный архитектурый prior. На смену упомянутым решениям google вовсю продвигает neural architecture search (NAS), где поиск архитектуры для конкретной задачи осуществляется из заранее заданных модулей посредством RL — NASNet, AmoebaNet.

Авторы утверждают, что и подходы, где дизайн определяется человеком, и NAS вводят слишком строгий prior на архитектуру. В попытке его снизить, они предпринимают попытку использования параметрического генеративного подхода нейросети, где wiring (соединение) элементов осуществляется случайно. Подходы со случайным wiring«ом, оказывается, исследовались еще с 1940х такими учёными, как А.Тюринг, М.Мински, Ф.Розенблатт. В качестве еще одного довода авторы напоминают, что в нейронаучных исследованях было выявлено, что структура нейрональных связей у организмов одного вида — разная (до определенного уровня детализации, разумеется). Это справедливо и для червей, и для человеческих младенцев.В целом, идея процедурной генерации нейросетей звучит интересной и перспективной, чему и посвящена работа.

Метод:

Попробуем модуляризовать процесс процедурной генерации архитектуры нейросетей через графовый подход. Начальные шаги следующие:

Производится стохастическая генерация графа из параметризованного семейства. Используются классические методы: Erdos-Renyi (ER), Barabasi-Albert (BA), и Watts-Strogatz (WS).
Граф конвертируется в нейросеть:
- всё рёбра графа предполагаются направленными носителями тензоров данных;
- для каждой вершины графа определяется тип операции, которую она осуществляет: (I) аггрегация путём сумимрования с обучаемыми весами, (II) трансформация — ReLU+свёртка+BN, (III) дистрибуция — передача тензора по каждому выходному ребру;
- по результатам предыдущего подпункта входных и выходных вершин может быть несколько, но хочется иметь 1 точку входа в граф и 1 — выхода. Такие ноды создаются отдельно. Входная — просто распространяет копию тензора на все входные вершины графа, выходная — считает невзвешенное среднее по всем выходным вершинам.В результате шагов 1 и 2 создаётся, на самом деле, не полная сеть, а лишь один из модулей (наподобие conv_1, … в популярных свёрточных энкодерах). Для того, чтобы получить нейросеть полностью:
Cоздаются и последовательно соединяются несколько модулей. Чтобы уменьшить число параметров сети, трансформации во всех входных вершинах модулей осуществляются со stride«ом 2×2. Количество каналов при переходе к очередному модулю увеличивает в 2 раза.Чтобы провести эксперименты на конкретной задаче:
На выход сети добавляется голова для классификации.

Результаты:

Проверка метода осуществлялась на задаче классификации на ImageNet. Качество сгенерированной нейросети оказалось на уровне с SotA архитектурами, немного проигрывая недавней AmoebaNet от Google DeepBrain: (при соизмеримом числе параметров).

Проверяли что будет если удалить случайную вершину/ребро из получившегося графа. Метрика — снижение качества в зависимости от смежных числа выходных ребёр/входных вершин соответственно. В целом, качество падает, но не критично.

Также авторы проверили, работает ли с данной архитектурой transfer learning. На задаче детекции на COCO, backbone Faster R-CNN c FPN«ом был заменен на сгенерированную и предобученую сеть. Результаты показали, что качество у модели не хуже, чем у ResNeXt-50/-101. Но даже и факт того, что transfer learning запускается, довольно занятный.

6. Photofeeler-D3: A Neural Network with Voter Modeling for Dating Photo Rating

Авторы статьи: Agastya Kalra and Ben Peterson (Photofeeler Inc., 2019)
→ Оригинал статьи
Автор обзора: Алекс Широн (в слэке shiron8bit)

Авторы предлагают Photofeeler-D3: архитектуру сети для оценки фотографий с сайтов знакомств по 3 направлениям/trait«ам — насколько человек кажется умным, заслуживающим доверия и привлекательным (эффектом ореола пренебречь!). Задача возникла исходя из опроса The Guardian, согласно которому 90% людей принимают решение о дальнейшем свидании исключительно на основании оценки фотографий потенциального спутника

Итак, сеть состоит из следующих блоков:

Базовая сеть (желтая часть на картинке) — получаем эмбеддинг с предобученной классификационной сетки (GAP после сверточных слоев), затем пропускаем его через полносвязный слой с 10 выходами (и софтмакс) — получаем temporary output.
Во втором блоке (синяя часть, voter model) выбирается какой-либо проголосовавший за изображение (voter), берется его эмбеддинг, конкатенируется с temporary output из базового блока, после чего получившийся вектор подается на вход небольшой полносвязной сети, на выходе которой получаем распределение по 10 классам v_ij ((распределение по 10 интервалам внутри [0;1]). Численная оценка получается скалярным произведением v_ij с вектором [0.05, 0.15, 0.25…0.95].
Имеем оценку для изображения и конкретного голосующего, а усредняя ее по 200 произвольным голосующим, получим итоговую оценку.

Моделирование голосующих означает, что мы не пытаемся предсказать потенциально шумную среднюю оценку, предсказываем лишь субъективное мнение конкретного избирателя, а значит количество голосов на изображение не так сильно влияет, да и шум от изображений с малым числом голосов влияет меньше.В литературе встречается схожая задача Facial Beauty Prediction (FBP) с открытыми датасетами SCUT-FBP и Hot-Or-Not, однако авторы для обучения использовали данные, полученные непосредственно с сайта Photofeeler, где каждого пользователя оценивают по вышеупомянутым параметрам другие пользователи. При этом данных много: на сайт прилетает +100k оценок каждый день, взяли 1.2 миллиона фотографий всего, из них миллион мужчин (200 тысяч уникальных персон) и 200 тысяч женщин (50 тысяч уникальных персон). Все фотографии с разным соотношением сторон, но не больше 600 px. Для тестирования отделили 10000 фотографий мужчин и 8000 фотографий женщин.Отдельно следует отметить, что оригинальные оценки на сайте идут от 0 до 3, однако финальная оценка для обучения и тестирования нормировалась и приводилась к интервалу [0,1] усреднением по всем голосовавшим с весами (веса определялись, исходя из особенностей голосования конкретного человека).

Важные моменты при обучении:

Гиперпараметры (backbone для эмбеддинга, размер картинки, etc) выбирались при обучении на меньшем наборе данных (20000 train, 3000 val, 2311 test), лучшие результаты получаются для архитектуры xception и картинок размером 600×600.
Вначале обучается базовая сеть, выход которой (temporary output) сравнивается по KL-дивергенции с реальным распределением оценок для фотографии (как писал чуть ранее, сначала нормируем каждую оценку, потом строим распределение по 10 бинам на интервале [0,1]).
Для обучения voter model конкретная оценка преобразуется в one-hot округлением до ближайших десятых.
Эмбеддинги voter«ов скорее всего тоже обучаются, при этом базовая модель на 2 этапе заморожена.
Модели для всех трех типов trait«ов и 2 гендеров обучались отдельно, использовались оценки только противоположного пола.Результаты:
- Для обоих полов модель показала корреляцию ~80% с человеческими оценками на их внутреннем датасете, при этом на London Faces архитектура показала куда более высокую корреляцию с людьми, чем сервисы prettyscale.com и hotness.ai (81 против 53 и 52).
- В задаче FBP на обоих датасетах (SCUT-FBP и Hot-Or-Not) были получены результаты, близкие к SOTA.
- Также тесты показывают, что модель ведет себя лучше, чем усреднение по 10 голосующим людям

7. MixMatch: A Holistic Approach to Semi-Supervised Learning

Авторы статьи: D. Berthelot, N. Carlini, I.J. Goodfellow, N. Papernot, A. Oliver and Colin Raffel (Google Reasearch, 2019)
→ Оригинал статьи
Автор обзора: Сергей Червонцев (в слэке JanRocketMan)

Смесь MeanTeacher и Mixup-а для новой SOT-ы в задаче Semi-Supervised Learning (SSL) классификации картинок. Напомню, самый рабочий SSL сейчас опирается на consistency regularization. Это значит, что помимо обычного лосса на трейне (которого мало и с которым всё оверфитится) на неразмеченных данных мы либо используем «шумные» метки, либо делаем локальные пертурбации и учим модель выдавать одинаковые предсказания независимо от них.Примером первого подхода является Mean Teacher (где шумные метки — это предсказания модели c EMA весами), примером второго — Mixup (хоть и докидывает он немного).Авторы предлагают нечто среднее, плюс докинуть несколько гиперпараметров чтобы лучше контроллировать происходящее. Работает это так:

Пересемплируем unsupervised картинку с разными аугментациями несколько раз, и усредняем предсказания.
Получаем «шумную» метку p.
«Заостряем» получившееся распределение по классам, чтобы оно ближе было к one-hot. Предлагается такое преобразование: $p_{new} = p^{1 / T} / sum(p^{1 / T}, dim=1)$ . Меняя T можно балансировать между тем, что распределение размазанное, но качество меток хорошее и тем, что распределение больше похоже на истинное (по форме), но качество меток проседает.
Миксапится всё со всем, разбиваясь случайно по парам.Несмотря на такие незначительные изменения, здорово привозят на SVHN, STL и CIFAR10.

На CIFAR10 у них примерно 90% accuracy используя всего 250 меток. Для сравнения второй по качеству — VAT, даёт лишь 60%. На SVHN где-то 96% тоже с 250-ю метками, когда VAT и Mean Teacher дают ближе к 90.

На STL10 90% с 1к меток, в сравнение ставят какой-то CCGAN, который даёт 80.В целом воодущевляющие результаты, показывающие что:

Жирные модели хорошо, даже когда данных мало (но задача простая);
С прямыми руками и GridSearch-ем и простой подходы дают значительный профит;
c. SSL можно уже вылезать из SVHN песочницы и работать с более сложными датасетами.

8. Divide and Conquer the Embedding Space for Metric Learning

Авторы статьи: Artsiom Sanakoyeu, Vadim Tschernezki, Uta Buchler and Bjorn Ommer (Heidelberg University, 2019)
→ Оригинал статьи
Автор обзора: Александр Денисенко (в слэке Alexander Denisenko)

Стандартный вариант метрик лёрнинга — просто выучивать единую метрику, которая будет определять близость для любой пары картинок по их эмбеддингам. Это не очень хорошо, потому что эмбеддинги не распределены в пространстве равномерно, похожесть изображений может определяться разными вещами — цветом, формой, семантическим значением, т.д.

Подход, предлагаемый в статье:

Обучаются эмбеддинги
Divide.
Фиксируем какое-то число К и разбиваем данные на К кластеров с помощью k-means. Теперь будем решать К простых задач вместо одной исходной. Определяем К различных лёрнеров следующим образом. Embedding layer разбивается на K последовательных слайсов равной длины. Каждый из них — отдельный лёрнер. Он отображает инпут в подпространство размерности d/K (d — размерность всего пространства эмбеддингов).
Conquer.
После стадии Divide каждый из K кластеров сопоставляется одному из K лёрнеров. Лёрнеры тренируются поочерёдно, то есть в каждый конкретный момент у нас выбран кластер, на котором проходит обучение, из него сэмплится мини-батч, и соответствующий лёрнер минимизирует свой лосс, обновляя свои параметры. Пространство эмбеддингов со временем обновляется, так что каждые T эпох кластеризация (Divide) делается заново.
Мёрджим — конкатенируем всех лёрнеров (слайсы слоя эмбеддинга). Затем дообучаем слой эмбеддинга на всём датасете, чтобы подружить лёрнеров между собой.

Результаты экспериментов: всех победили на нескольких датасетах.

Лосс может быть любым — Triplet Loss, Margin Loss, Proxy-NCA, т.д.

Оптимальное количестов лёрнеров K вышло равным 8 (размерность всего пространства эмбеддингов была равна 128, так что каждый лёрнер решал свою подзадачу в 16-мерном пространстве).

Изменение T от 1 до 10 существенно ни на что не повлияло, так что использовали T=2.