大多数机器学习算法的基本假设是培训和测试数据是从相同的底层分布中汲取的。然而，在几乎所有实际应用中违反了这种假设：由于不断变化的时间相关，非典型最终用户或其他因素，机器学习系统经常测试。在这项工作中，我们考虑域泛化的问题设置，其中训练数据被构造成域，并且可能有多个测试时间偏移，对应于新域或域分布。大多数事先方法旨在学习在所有域上执行良好的单一强大模型或不变的功能空间。相比之下，我们的目标是使用未标记的测试点学习适应域转移到域移的模型。我们的主要贡献是介绍自适应风险最小化（ARM）的框架，其中模型被直接优化，以便通过学习来转移以适应培训域来改编。与稳健性，不变性和适应性的先前方法相比，ARM方法提供了在表现域移位的多个图像分类问题上的性能增益为1-4％的测试精度。

In this paper, we propose Test-Time Training, a general approach for improving the performance of predictive models when training and test data come from different distributions. We turn a single unlabeled test sample into a self-supervised learning problem, on which we update the model parameters before making a prediction. This also extends naturally to data in an online stream. Our simple approach leads to improvements on diverse image classification benchmarks aimed at evaluating robustness to distribution shifts.

我们研究了高度实用但相对研究的潜在域适应性问题，其中应将源模型适应包含未标记域的混合域和域 - IRRERRELERRELERRELERVANS的目标数据集。此外，受数据隐私要求以及对适应本地数据分布的嵌入式和资源约束设备的需求的激励，我们专注于设置无馈源源域的适应到源数据集，也可以返回传播。我们的解决方案是元学习网络，能够嵌入混合相关目标数据集，并使用交叉注意力动态适应目标示例。最终的框架可导致强大的ERM基线的一致改进。我们还表明，我们的框架有时甚至在域监督适应的上限上有所改善，在这种适应中，仅提供与域相关的实例进行适应。这表明人类注释的域标签可能并不总是最佳的，并提高了通过自动实例选择做得更好的可能性。

We demonstrate that self-learning techniques like entropy minimization and pseudo-labeling are simple and effective at improving performance of a deployed computer vision model under systematic domain shifts. We conduct a wide range of large-scale experiments and show consistent improvements irrespective of the model architecture, the pre-training technique or the type of distribution shift. At the same time, self-learning is simple to use in practice because it does not require knowledge or access to the original training data or scheme, is robust to hyperparameter choices, is straight-forward to implement and requires only a few adaptation epochs. This makes self-learning techniques highly attractive for any practitioner who applies machine learning algorithms in the real world. We present state-of-the-art adaptation results on CIFAR10-C (8.5% error), ImageNet-C (22.0% mCE), ImageNet-R (17.4% error) and ImageNet-A (14.8% error), theoretically study the dynamics of self-supervised adaptation methods and propose a new classification dataset (ImageNet-D) which is challenging even with adaptation.

对分布（OOD）数据的概括是人类自然的能力，但对于机器而言挑战。这是因为大多数学习算法强烈依赖于i.i.d.〜对源/目标数据的假设，这在域转移导致的实践中通常会违反。域的概括（DG）旨在通过仅使用源数据进行模型学习来实现OOD的概括。在过去的十年中，DG的研究取得了长足的进步，导致了广泛的方法论，例如，基于域的一致性，元学习，数据增强或合奏学习的方法，仅举几例；还在各个应用领域进行了研究，包括计算机视觉，语音识别，自然语言处理，医学成像和强化学习。在本文中，首次提供了DG中的全面文献综述，以总结过去十年来的发展。具体而言，我们首先通过正式定义DG并将其与其他相关领域（如域适应和转移学习）联系起来来涵盖背景。然后，我们对现有方法和理论进行了彻底的审查。最后，我们通过有关未来研究方向的见解和讨论来总结这项调查。

测试时间适应（TTA）是指适应神经网络以进行分配变化，仅在测试时间内从新域中访问未标记的测试样本。先前的TTA方法优化了无监督的目标，例如帐篷中的模型预测的熵[Wang等，2021]，但目前尚不清楚到底是什么使TTA损失良好。在本文中，我们首先提出一个令人惊讶的现象：如果我们尝试在广泛的功能上衡量最佳的TTA损失，那么我们恢复了与（温度缩放版本的）非常相似的函数帐篷采用的软磁性 - 凝集。但是，只有在我们正在适应的分类器通过跨凝结训练的情况下，这才能保持；如果通过平方损失训练，则会出现不同的最佳TTA损失。为了解释这一现象，我们通过训练损失的凸结合物分析了TTA。我们表明，在自然条件下，这种（无监督的）共轭功能可以看作是对原始监督损失的局部近似值，实际上，它恢复了元学习发现的最佳损失。这导致了一种通用食谱，可用于为通用类的任何给定监督培训损失功能找到良好的TTA损失。从经验上讲，我们的方法始终在广泛的基准测试中统治其他基线。当应用于新型损失功能的分类器时，我们的方法尤其令人感兴趣，例如，最近所传播的polyloss与基于熵的损失有很大的不同。此外，我们表明我们的方法也可以用非常特定的软标签解释为一种自我训练，我们将其称为共轭伪标记。总体而言，我们的方法为更好地理解和改善测试时间适应提供了广泛的框架。代码可在https://github.com/locuslab/tta_conjugate上找到。

The goal of domain generalization algorithms is to predict well on distributions different from those seen during training. While a myriad of domain generalization algorithms exist, inconsistencies in experimental conditions-datasets, architectures, and model selection criteria-render fair and realistic comparisons difficult. In this paper, we are interested in understanding how useful domain generalization algorithms are in realistic settings. As a first step, we realize that model selection is non-trivial for domain generalization tasks. Contrary to prior work, we argue that domain generalization algorithms without a model selection strategy should be regarded as incomplete. Next, we implement DOMAINBED, a testbed for domain generalization including seven multi-domain datasets, nine baseline algorithms, and three model selection criteria. We conduct extensive experiments using DO-MAINBED and find that, when carefully implemented, empirical risk minimization shows state-of-the-art performance across all datasets. Looking forward, we hope that the release of DOMAINBED, along with contributions from fellow researchers, will streamline reproducible and rigorous research in domain generalization. * Alphabetical order, equal contribution.Preprint. Under review.

Learning models that gracefully handle distribution shifts is central to research on domain generalization, robust optimization, and fairness. A promising formulation is domain-invariant learning, which identifies the key issue of learning which features are domain-specific versus domaininvariant. An important assumption in this area is that the training examples are partitioned into "domains" or "environments". Our focus is on the more common setting where such partitions are not provided. We propose EIIL, a general framework for domain-invariant learning that incorporates Environment Inference to directly infer partitions that are maximally informative for downstream Invariant Learning. We show that EIIL outperforms invariant learning methods on the CMNIST benchmark without using environment labels, and significantly outperforms ERM on worst-group performance in the Waterbirds and CivilComments datasets. Finally, we establish connections between EIIL and algorithmic fairness, which enables EIIL to improve accuracy and calibration in a fair prediction problem.

当源（训练）数据和目标（测试）数据之间存在域移动时，深网很容易降级。最近的测试时间适应方法更新了通过流数据部署在新目标环境中的预训练源模型的批归归式层，以减轻这种性能降低。尽管此类方法可以在不首先收集大型目标域数据集的情况下进行调整，但它们的性能取决于流媒体条件，例如迷你批量的大小和类别分布，在实践中可能无法预测。在这项工作中，我们提出了一个框架，以适应几个域的适应性，以应对数据有效适应的实际挑战。具体而言，我们提出了在预训练的源模型中对特征归一化统计量的约束优化，该模型由目标域的小支持集监督。我们的方法易于实现，并改善每类用于分类任务的示例较小的源模型性能。对5个跨域分类和4个语义分割数据集进行了广泛的实验表明，我们的方法比测试时间适应更准确，更可靠，同时不受流媒体条件的约束。

域泛化算法使用来自多个域的培训数据来学习概括到未经识别域的模型。虽然最近提出的基准证明大多数现有算法不优于简单的基线，但建立的评估方法未能暴露各种因素的影响，这有助于性能不佳。在本文中，我们提出了一个域泛化算法的评估框架，其允许将误差分解成组件捕获概念的不同方面。通过基于域不变表示学习的思想的算法的普遍性的启发，我们扩展了评估框架，以捕获在实现不变性时捕获各种类型的失败。我们表明，泛化误差的最大贡献者跨越方法，数据集，正则化强度甚至培训长度各不相同。我们遵守与学习域不变表示的策略相关的两个问题。在彩色的MNIST上，大多数域泛化算法失败，因为它们仅在训练域上达到域名不变性。在Camelyon-17上，域名不变性会降低看不见域的表示质量。我们假设专注于在丰富的代表之上调整分类器可以是有希望的方向。

域泛化（DG）方法旨在开发概括到测试分布与训练数据不同的设置的模型。在本文中，我们专注于多源零拍DG的挑战性问题，其中来自多个源域的标记训练数据可用，但无法从目标域中访问数据。虽然这个问题已成为研究的重要话题，但令人惊讶的是，将所有源数据汇集在一起​​和培训单个分类器的简单解决方案在标准基准中具有竞争力。更重要的是，即使在不同域中明确地优化不变性的复杂方法也不一定提供对ERM的非微不足道的增益。在本文中，我们首次研究了预先指定的域标签和泛化性能之间的重要链接。使用动机案例研究和分布稳健优化算法的新变种，我们首先演示了如何推断的自定义域组可以通过数据集的原始域标签来实现一致的改进。随后，我们介绍了一种用于多域泛化，Muldens的一般方法，它使用基于ERM的深度合并骨干，并通过元优化算法执行隐式域重标。使用对多个标准基准测试的经验研究，我们表明Muldens不需要定制增强策略或特定于数据集的培训过程，始终如一地优于ERM，通过显着的边距，即使在比较时也会产生最先进的泛化性能对于利用域标签的现有方法。

机器学习系统通常假设训练和测试分布是相同的。为此，关键要求是开发可以概括到未经看不见的分布的模型。领域泛化（DG），即分销概括，近年来引起了越来越令人利益。域概括处理了一个具有挑战性的设置，其中给出了一个或几个不同但相关域，并且目标是学习可以概括到看不见的测试域的模型。多年来，域概括地区已经取得了巨大进展。本文提出了对该地区最近进步的首次审查。首先，我们提供了域泛化的正式定义，并讨论了几个相关领域。然后，我们彻底审查了与域泛化相关的理论，并仔细分析了泛化背后的理论。我们将最近的算法分为三个类：数据操作，表示学习和学习策略，并为每个类别详细介绍几种流行的算法。第三，我们介绍常用的数据集，应用程序和我们的开放源代码库进行公平评估。最后，我们总结了现有文学，并为未来提供了一些潜在的研究主题。

分发班次的稳健性对于部署现实世界中的机器学习模型至关重要。尽管如此必要的，但在定义导致这些变化的潜在机制以及评估跨多个不同的分发班次的稳健性的潜在机制很少。为此，我们介绍了一种框架，可实现各种分布换档的细粒度分析。我们通过评估在合成和现实世界数据集中分为五个类别的19个不同的方法来提供对当前最先进的方法的整体分析。总的来说，我们训练超过85架模型。我们的实验框架可以很容易地扩展到包括新方法，班次和数据集。我们发现，与以前的工作〜\ citep {gulrajani20}不同，该进度已经通过标准的ERM基线进行;特别是，在许多情况下，预先训练和增强（学习或启发式）提供了大的收益。但是，最好的方法在不同的数据集和班次上不一致。

尽管进行了多年的研究，但跨域的概括仍然是深层网络的语义分割的关键弱点。先前的研究取决于静态模型的假设，即训练过程完成后，模型参数在测试时间保持固定。在这项工作中，我们通过一种自适应方法来挑战这一前提，用于语义分割，将推理过程调整为每个输入样本。自我适应在两个级别上运行。首先，它采用了自我监督的损失，该损失将网络中卷积层的参数定制为输入图像。其次，在批准层中，自适应近似于整个测试数据的平均值和方差，这是不可用的。它通过在训练和从单个测试样本得出的参考分布之间进行插值来实现这一目标。为了凭经验分析我们的自适应推理策略，我们制定并遵循严格的评估协议，以解决先前工作的严重局限性。我们的广泛分析得出了一个令人惊讶的结论：使用标准训练程序，自我适应大大优于强大的基准，并在多域基准测试方面设定了新的最先进的准确性。我们的研究表明，自适应推断可以补充培训时间的既定模型正规化实践，以改善深度网络的概括到异域数据。

域适应对于将学习模型调整到新方案，例如域移位或更改数据分布，这是至关重要的。目前的方法通常需要来自移位域的大量标记或未标记的数据。这可以是在需要连续动态适应或遭受数据稀缺的领域的障碍，例如，自动驾驶在挑战天气条件下。为了解决持续适应分配班的问题，我们提出了动态无监督的适应（DUA）。我们通过持续调整批量归一化层的统计来修改模型的特征表示。我们表明，通过从移位域中仅访问一小部分未标记的数据并按顺序调整，可以实现强大的性能增益。甚至从目标领域的未标记数据的少于1％，Dua已经实现了强大的基线的竞争结果。此外，与先前的方法相比，计算开销最小。我们的方法很简单，但有效，可以应用于任何使用批量归一化作为其组件之一的架构。我们通过在各种域适应数据集和任务中评估DUA的效用，包括对象识别，数字识别和对象检测。

部署在野外的机器学习系统通常在源分布上培训，但部署在不同的目标分布上。未标记的数据可以是用于缓解这些分布班次的强大的利用点，因为它通常比标记数据更具可用。然而，未标记数据的现有分配转换基准不反映现实世界应用中出现的方案的广度。在这项工作中，我们介绍了Wilds 2.0更新，该更新在分发转移的野外基准中扩展了10个数据集中的8个，以包括将在部署中逼真获得的策划未标记数据。为了保持一致性，标记的培训，验证和测试集以及评估度量与原始野外基准中的标记与评估度量完全相同。这些数据集涵盖了广泛的应用程序（从组织学到野生动物保护），任务（分类，回归和检测）和方式（照片，卫星图像，显微镜载玻片，文本，分子图）。我们系统地基准测试最先进的方法，可以利用未标记的数据，包括域不变，自我培训和自我监督方法，并表明他们在野外的成功2.0是有限的。为了方便方法开发和评估，我们提供了一个自动化数据加载的开源包，并包含本文中使用的所有模型架构和方法。代码和排行榜可在https://wilds.stanford.edu获得。

We are concerned with a worst-case scenario in model generalization, in the sense that a model aims to perform well on many unseen domains while there is only one single domain available for training. We propose a new method named adversarial domain augmentation to solve this Outof-Distribution (OOD) generalization problem. The key idea is to leverage adversarial training to create "fictitious" yet "challenging" populations, from which a model can learn to generalize with theoretical guarantees. To facilitate fast and desirable domain augmentation, we cast the model training in a meta-learning scheme and use a Wasserstein Auto-Encoder (WAE) to relax the widely used worst-case constraint. Detailed theoretical analysis is provided to testify our formulation, while extensive experiments on multiple benchmark datasets indicate its superior performance in tackling single domain generalization.

在测试时间适应（TTA）中，给定在某些源数据上培训的模型，目标是使其适应从不同分布的测试实例更好地预测。至关重要的是，TTA假设从目标分布到Finetune源模型，无法访问源数据或甚至从目标分布到任何其他标记/未标记的样本。在这项工作中，我们考虑TTA在更务实的设置中，我们称为SITA（单图像测试时间适应）。这里，在制作每个预测时，该模型只能访问给定的\ emph {单}测试实例，而不是实例的\ emph {批次}。通常在文献中被考虑。这是由逼真的情况激励，其中在按需时尚中需要推断，可能不会被延迟到“批量 - iFY”传入请求或者在没有范围的边缘设备（如移动电话中）发生推断批处理。 SITA的整个适应过程应在推理时间发生时非常快。为了解决这个问题，我们提出了一种新颖的AUGBN，用于仅需要转发传播的SITA设置。该方法可以为分类和分段任务的单个测试实例调整任何特征训练模型。 AUGBN估计仅使用具有标签保存的转换的一个前进通过的给定测试图像的看不见的测试分布的正常化统计。由于AUGBN不涉及任何反向传播，与其他最近的方法相比，它显着更快。据我们所知，这是仅使用单个测试图像解决此硬调整问题的第一个工作。尽管非常简单，但我们的框架能够在我们广泛的实验和消融研究中对目标实例上应用源模型来实现显着的性能增益。

我们关注模型概括中最坏的情况，因为一个模型旨在在许多看不见的域上表现良好，而只有一个单个域可供训练。我们提出基于元学习的对抗领域的增强，以解决此范围泛化问题。关键思想是利用对抗性训练来创建“虚构的”但“具有挑战性”的人群，模型可以从中学会通过理论保证进行概括。为了促进快速和理想的域增强，我们将模型训练施加在元学习方案中，并使用Wasserstein自动编码器放宽广泛使用的最坏情况的约束。我们通过整合有效域概括的不确定性定量来进一步改善我们的方法。在多个基准数据集上进行的广泛实验表明其在解决单个领域概括方面的出色性能。

虽然神经网络在平均病例的性能方面对分类任务的成功显着，但它们通常无法在某些数据组上表现良好。这样的组信息可能是昂贵的;因此，即使在培训数据不可用的组标签不可用，较稳健性和公平的最新作品也提出了改善最差组性能的方法。然而，这些方法通常在培训时间使用集团信息的表现不佳。在这项工作中，我们假设没有组标签的较大数据集一起访问少量组标签。我们提出了一个简单的两步框架，利用这个部分组信息来提高最差组性能：训练模型以预测训练数据的丢失组标签，然后在强大的优化目标中使用这些预测的组标签。从理论上讲，我们在最差的组性能方面为我们的方法提供泛化界限，展示了泛化误差如何相对于培训点总数和具有组标签的培训点的数量。凭经验，我们的方法优于不使用群组信息的基线表达，即使只有1-33％的积分都有组标签。我们提供消融研究，以支持我们框架的稳健性和可扩展性。