对抗性示例是由攻击者设计的机器学习模型的输入，以使模型犯错误。在本文中，我们证明了对抗性例子也可以用来改善不平衡学习的表现。我们提供了有关如何处理不平衡数据的新观点：通过使用指导对抗性示例（GAE）训练来调整偏见的决策边界。我们的方法可以有效地提高少数群体的准确性，同时牺牲多数级别的准确性。我们从经验上显示，在几个基准数据集上，我们提出的方法与最新方法相媲美。据我们所知，我们是第一个通过对抗性例子来处理不平衡学习的人。

提出了一种学习算法，称为最大利润率（MM），以考虑集体不平衡数据学习问题：训练有素的模型倾向于预测大多数班级而不是少数群体。也就是说，少数群体的适合似乎是概括的挑战之一。为了对少数群体进行良好的概括，我们设计了一个新的最大利润率（MM）损失函数，通过最大程度地减少通过转移决策结合的基于利润的概括。理论上原理的标签 - 分布式利润率（LDAM）损失已成功应用于先前的策略，例如重新采样或重新采样以及有效的培训时间表。但是，他们尚未研究最大保证金损失函数。在这项研究中，我们研究了两种类型的基于硬利润的决策边界的性能，其中LDAM对人为不平衡的CIFAR-10/100的培训时间表，以进行公平的比较和有效性。

传统的联邦优化方法的性能较差（即降低准确性），尤其是对于高度偏斜的数据。在本文中，我们调查了佛罗里达州的标签分布偏斜，在那里标签的分布各不相同。首先，我们从统计视图研究了标签分布偏斜。我们在理论上和经验上都证明了基于软马克斯跨凝结的先前方法不合适，这可能会导致本地模型非常适合少数群体和缺失的类别。此外，我们从理论上引入了一个偏离，以测量本地更新后梯度的偏差。最后，我们建议通过\ textbf {l} ogits \ textbf {c}启动）FedLc（\ textbf {fed {fed}学习，该学习根据每个类别的出现可能性。 FedLC通过添加成对标签的边距将细粒度校准的跨透镜损失应用于本地更新。联合数据集和现实世界数据集的广泛实验表明，联邦快递会导致更准确的全球模型和大大改善的性能。此外，将其他FL方法集成到我们的方法中可以进一步增强全球模型的性能。

类别不平衡数据的问题在于，由于少数类别的数据缺乏数据，分类器的泛化性能劣化。在本文中，我们提出了一种新的少数民族过度采样方法，通过利用大多数类作为背景图像的丰富背景来增加多元化的少数民族样本。为了使少数民族样本多样化，我们的主要思想是将前景补丁从少数级别粘贴到来自具有富裕环境的多数类的背景图像。我们的方法很简单，可以轻松地与现有的长尾识别方法结合。我们通过广泛的实验和消融研究证明了提出的过采样方法的有效性。如果没有任何架构更改或复杂的算法，我们的方法在各种长尾分类基准上实现了最先进的性能。我们的代码将在链接上公开提供。

当训练数据集患有极端阶级失衡时，深度神经网络通常会表现不佳。最近的研究发现，以半监督的方式直接使用分布外数据（即开放式样本）培训将损害概括性能。在这项工作中，我们从理论上表明，从贝叶斯的角度来看，仍然可以利用分发数据来扩大少数群体。基于这种动机，我们提出了一种称为开放采样的新方法，该方法利用开放式嘈杂标签重新平衡培训数据集的班级先验。对于每个开放式实例，标签是​​从我们的预定义分布中取样的，该分布互补，与原始类先验的分布互补。我们从经验上表明，开放采样不仅可以重新平衡阶级先验，还鼓励神经网络学习可分离的表示。广泛的实验表明，我们提出的方法显着优于现有数据重新平衡方法，并可以提高现有最新方法的性能。

随着数据量表的增长，由于跨类别的样本数量严重，深层识别模型通常会遭受长尾数据分布的困扰。实际上，现实世界中的数据通常在不同类别（例如鸽子和麻雀）之间表现出一定的相似性关系，在这项工作中称为类别相似性。当这些类似外观类似的类别之间发生不平衡时，这是双重困难的。但是，现有的解决方案主要集中于样本编号以重新平衡数据分布。在这项工作中，我们从统一的角度系统地研究了长尾问题的本质。具体而言，我们证明了长尾识别均受样本数和类别相似性的影响。直观地，使用玩具示例，我们首先表明样本号不是长尾识别的性能下降的独特影响因素。从理论上讲，我们证明（1）类别相似性作为不可避免的因素，也将通过相似的样本在长尾分布下的模型学习，（2）使用更多的判别性表示方法（例如，自我监督的学习），以减少相似性。 ，可以通过大大改善的性能进一步缓解分类器偏见。在几个长尾数据集上进行了广泛的实验，验证了我们的理论分析的合理性，并表明基于现有的最先进（SOTA），可以通过降低相似性进一步提高性能。我们的调查突出了长尾问题背后的本质，并为未来的工作提出了几个可行的方向。

深度神经网络通常使用遇到数量不平衡和分类难度不平衡问题的数据集的性能很差。尽管在该领域取得了进展，但现有的两阶段方法中仍然存在数据集偏差或域转移问题。因此，提出了一个分阶段的渐进学习时间表，从而提出了从表示学习到上层分类器培训的平稳转移。这对严重失衡或较小尺度的数据集具有更大的有效性。设计了耦合 - 调节损失损失函数，耦合校正项，局灶性损失和LDAM损失。损失可以更好地处理数量不平衡和异常值，同时调节具有不同分类困难的样本的注意力重点。这些方法在多个基准数据集上取得了令人满意的结果，包括不平衡的CIFAR10，不平衡的CIFAR100，Imagenet-LT和Inaturalist 2018，并且还可以轻松地将其用于其他不平衡分类模型。

对抗训练（AT）方法有效地防止对抗性攻击，但它们在不同阶级之间引入了严重的准确性和鲁棒性差异，称为强大的公平性问题。以前建议的公平健壮的学习（FRL）适应重新重量不同的类别以提高公平性。但是，表现良好的班级的表现降低了，导致表现强劲。在本文中，我们在对抗训练中观察到了两种不公平现象：在产生每个类别的对抗性示例（源级公平）和产生对抗性示例时（目标级公平）时产生对抗性示例的不​​同困难。从观察结果中，我们提出平衡对抗训练（BAT）来解决强大的公平问题。关于源阶级的公平性，我们调整了每个班级的攻击强度和困难，以在决策边界附近生成样本，以便更容易，更公平的模型学习；考虑到目标级公平，通过引入统一的分布约束，我们鼓励每个班级的对抗性示例生成过程都有公平的趋势。在多个数据集（CIFAR-10，CIFAR-100和IMAGENETTE）上进行的广泛实验表明，我们的方法可以显着超过其他基线，以减轻健壮的公平性问题（最坏的类精度为+5-10 \％）

为了应对对抗性实例的威胁，对抗性培训提供了一种有吸引力的选择，可以通过在线增强的对抗示例中的培训模型提高模型稳健性。然而，大多数现有的对抗训练方法通过强化对抗性示例来侧重于提高鲁棒的准确性，但忽略了天然数据和对抗性实施例之间的增加，导致自然精度急剧下降。为了维持自然和强大的准确性之间的权衡，我们从特征适应的角度缓解了转变，并提出了一种特征自适应对抗训练（FAAT），这些培训（FAAT）跨越自然数据和对抗示例优化类条件特征适应。具体而言，我们建议纳入一类条件鉴别者，以鼓励特征成为（1）类鉴别的和（2）不变导致对抗性攻击的变化。新型的FAAT框架通过在天然和对抗数据中产生具有类似分布的特征来实现自然和强大的准确性之间的权衡，并实现从类鉴别特征特征中受益的更高的整体鲁棒性。在各种数据集上的实验表明，FAAT产生更多辨别特征，并对最先进的方法表现有利。代码在https://github.com/visionflow/faat中获得。

现实世界数据通常存在长尾分布。对不平衡数据的培训倾向于呈现神经网络在头部上表现良好，而尾部课程则更加差。尾班的培训实例的严重稀疏性是主要挑战，这导致培训期间的偏见分配估计。丰富的努力已经致力于改善挑战，包括数据重新采样和综合尾班的新培训实例。然而，没有先前的研究已经利用了从头课程转移到尾班的可转让知识，以校准尾舱的分布。在本文中，我们假设可以通过类似的头部级别来丰富尾部类，并提出一种名为标签感知分布校准Ladc的新型分布校准方法。 Ladc从相关的头部课程转移统计数据以推断尾部课程的分布。从校准分布的采样进一步促进重新平衡分类器。图像和文本的实验和文本长尾数据集表明，LADC显着优于现有方法。可视化还显示LADC提供更准确的分布估计。

Deep learning algorithms can fare poorly when the training dataset suffers from heavy class-imbalance but the testing criterion requires good generalization on less frequent classes. We design two novel methods to improve performance in such scenarios. First, we propose a theoretically-principled label-distribution-aware margin (LDAM) loss motivated by minimizing a margin-based generalization bound. This loss replaces the standard cross-entropy objective during training and can be applied with prior strategies for training with class-imbalance such as re-weighting or re-sampling. Second, we propose a simple, yet effective, training schedule that defers re-weighting until after the initial stage, allowing the model to learn an initial representation while avoiding some of the complications associated with re-weighting or re-sampling. We test our methods on several benchmark vision tasks including the real-world imbalanced dataset iNaturalist 2018. Our experiments show that either of these methods alone can already improve over existing techniques and their combination achieves even better performance gains 1 .

深度学习模型记住培训数据，这损害了他们推广到代表性不足的课程的能力。我们从经验上研究了卷积神经网络对图像数据不平衡数据的内部表示，并测量了训练和测试集中模型特征嵌入之间的概括差距，这表明该差距对于少数类别的差异更大。这个洞察力使我们能够为不平衡数据设计有效的三相CNN培训框架。该框架涉及训练网络端到端的数据不平衡数据以学习准确的功能嵌入，在学习的嵌入式空间中执行数据增强以平衡火车分布，并在嵌入式平衡的培训数据上微调分类器头。我们建议在培训框架中使用广泛的过采样（EOS）作为数据增强技术。 EOS形成合成训练实例，作为少数族类样本与其最近的敌人之间的凸组合，以减少概括差距。提出的框架提高了与不平衡学习中常用的领先成本敏感和重新采样方法的准确性。此外，它比标准数据预处理方法（例如SMOTE和基于GAN的过采样）更有效，因为它需要更少的参数和更少的训练时间。

作为反对攻击的最有效的防御方法之一，对抗性训练倾向于学习包容性的决策边界，以提高深度学习模型的鲁棒性。但是，由于沿对抗方向的边缘的大幅度和不必要的增加，对抗性训练会在自然实例和对抗性示例之间引起严重的交叉，这不利于平衡稳健性和自然准确性之间的权衡。在本文中，我们提出了一种新颖的对抗训练计划，以在稳健性和自然准确性之间进行更好的权衡。它旨在学习一个中度包容的决策边界，这意味着决策边界下的自然示例的边缘是中等的。我们称此方案为中等边缘的对抗训练（MMAT），该方案生成更细粒度的对抗示例以减轻交叉问题。我们还利用了经过良好培训的教师模型的逻辑来指导我们的模型学习。最后，MMAT在Black-Box和White-Box攻击下都可以实现高自然的精度和鲁棒性。例如，在SVHN上，实现了最新的鲁棒性和自然精度。

Real-world datasets exhibit imbalances of varying types and degrees. Several techniques based on re-weighting and margin adjustment of loss are often used to enhance the performance of neural networks, particularly on minority classes. In this work, we analyze the class-imbalanced learning problem by examining the loss landscape of neural networks trained with re-weighting and margin-based techniques. Specifically, we examine the spectral density of Hessian of class-wise loss, through which we observe that the network weights converge to a saddle point in the loss landscapes of minority classes. Following this observation, we also find that optimization methods designed to escape from saddle points can be effectively used to improve generalization on minority classes. We further theoretically and empirically demonstrate that Sharpness-Aware Minimization (SAM), a recent technique that encourages convergence to a flat minima, can be effectively used to escape saddle points for minority classes. Using SAM results in a 6.2\% increase in accuracy on the minority classes over the state-of-the-art Vector Scaling Loss, leading to an overall average increase of 4\% across imbalanced datasets. The code is available at: https://github.com/val-iisc/Saddle-LongTail.

半监督学习（SSL）的最新最新方法将一致性正则化与基于置信的伪标记结合在一起。为了获得高质量的伪标签，通常采用高置信度阈值。但是，已经表明，对于远离训练数据的样本，深网的基于软磁性的置信度得分可能很高，因此，即使是高信心不明的样品，伪标签也可能仍然不可靠。在这项工作中，我们提出了伪标记的新观点：而不是依靠模型信心，而是衡量未标记的样本是否可能是“分布”；即，接近当前的培训数据。为了对未标记的样本进行分类是“分布”还是“分发”，我们采用了分布外检测文献中的能量评分。随着培训的进行进展，更不标记的样品成为分配并有助于培训，标记和伪标记的数据可以更好地近似于真正的分布以改善模型。实验表明，我们的基于能量的伪标记方法，尽管从概念上讲简单，但在不平衡的SSL基准测试方面显着优于基于置信的方法，并在类平衡的数据上实现了竞争性能。例如，当不平衡比率高于50时，它会在CIFAR10-LT上产生4-6％的绝对准确性提高。当与最新的长尾SSL方法结合使用时，可以实现进一步的改进。

深度神经网络（DNNS）最近在许多分类任务中取得了巨大的成功。不幸的是，它们容易受到对抗性攻击的影响，这些攻击会产生对抗性示例，这些示例具有很小的扰动，以欺骗DNN模型，尤其是在模型共享方案中。事实证明，对抗性训练是最有效的策略，它将对抗性示例注入模型训练中，以提高DNN模型的稳健性，以对对抗性攻击。但是，基于现有的对抗性示例的对抗训练无法很好地推广到标准，不受干扰的测试数据。为了在标准准确性和对抗性鲁棒性之间取得更好的权衡，我们提出了一个新型的对抗训练框架，称为潜在边界引导的对抗训练（梯子），该训练（梯子）在潜在的边界引导的对抗性示例上对对手进行对手训练DNN模型。与大多数在输入空间中生成对抗示例的现有方法相反，梯子通过增加对潜在特征的扰动而产生了无数的高质量对抗示例。扰动是沿SVM构建的具有注意机制的决策边界的正常情况进行的。我们从边界场的角度和可视化视图分析了生成的边界引导的对抗示例的优点。与Vanilla DNN和竞争性底线相比，对MNIST，SVHN，CELEBA和CIFAR-10的广泛实验和详细分析验证了梯子在标准准确性和对抗性鲁棒性之间取得更好的权衡方面的有效性。

Our work focuses on tackling the challenging but natural visual recognition task of long-tailed data distribution (i.e., a few classes occupy most of the data, while most classes have rarely few samples). In the literature, class re-balancing strategies (e.g., re-weighting and re-sampling) are the prominent and effective methods proposed to alleviate the extreme imbalance for dealing with long-tailed problems. In this paper, we firstly discover that these rebalancing methods achieving satisfactory recognition accuracy owe to that they could significantly promote the classifier learning of deep networks. However, at the same time, they will unexpectedly damage the representative ability of the learned deep features to some extent. Therefore, we propose a unified Bilateral-Branch Network (BBN) to take care of both representation learning and classifier learning simultaneously, where each branch does perform its own duty separately. In particular, our BBN model is further equipped with a novel cumulative learning strategy, which is designed to first learn the universal patterns and then pay attention to the tail data gradually. Extensive experiments on four benchmark datasets, including the large-scale iNaturalist ones, justify that the proposed BBN can significantly outperform state-of-the-art methods. Furthermore, validation experiments can demonstrate both our preliminary discovery and effectiveness of tailored designs in BBN for long-tailed problems. Our method won the first place in the iNaturalist 2019 large scale species classification competition, and our code is open-source and available at https://github.com/Megvii-Nanjing/BBN . * Q. Cui and Z.-M. Chen's contribution was made when they were interns in Megvii Research Nanjing, Megvii Technology, China. X.

对抗性例子的现象说明了深神经网络最基本的漏洞之一。在推出这一固有的弱点的各种技术中，对抗性训练已成为学习健壮模型的最有效策略。通常，这是通过平衡强大和自然目标来实现的。在这项工作中，我们旨在通过执行域不变的功能表示，进一步优化鲁棒和标准准确性之间的权衡。我们提出了一种新的对抗训练方法，域不变的对手学习（DIAL），该方法学习了一个既健壮又不变的功能表示形式。拨盘使用自然域及其相应的对抗域上的域对抗神经网络（DANN）的变体。在源域由自然示例组成和目标域组成的情况下，是对抗性扰动的示例，我们的方法学习了一个被限制的特征表示，以免区分自然和对抗性示例，因此可以实现更强大的表示。拨盘是一种通用和模块化技术，可以轻松地将其纳入任何对抗训练方法中。我们的实验表明，将拨号纳入对抗训练过程中可以提高鲁棒性和标准精度。

少数族裔类的数据增强是长尾识别的有效策略，因此开发了大量方法。尽管这些方法都确保了样本数量的平衡，但是增强样品的质量并不总是令人满意的，识别且容易出现过度拟合，缺乏多样性，语义漂移等问题。对于这些问题，我们建议班级感知的大学启发了重新平衡学习（CAUIRR），以进行长尾识别，这使Universum具有班级感知的能力，可以从样本数量和质量中重新平衡个人少数族裔。特别是，我们从理论上证明，凯尔学到的分类器与从贝叶斯的角度从平衡状态下学到的那些人一致。此外，我们进一步开发了一种高阶混合方法，该方法可以自动生成类感知的Universum（CAU）数据，而无需诉诸任何外部数据。与传统的大学不同，此类产生的全球还考虑了域的相似性，阶级可分离性和样本多样性。基准数据集的广泛实验证明了我们方法的令人惊讶的优势，尤其是与最先进的方法相比，少数族裔类别的TOP1准确性提高了1.9％6％。

评估防御模型的稳健性是对抗对抗鲁棒性研究的具有挑战性的任务。僵化的渐变，先前已经发现了一种梯度掩蔽，以许多防御方法存在并导致鲁棒性的错误信号。在本文中，我们确定了一种更细微的情况，称为不平衡梯度，也可能导致过高的对抗性鲁棒性。当边缘损耗的一个术语的梯度主导并将攻击朝向次优化方向推动时，发生不平衡梯度的现象。为了利用不平衡的梯度，我们制定了分解利润率损失的边缘分解（MD）攻击，并通过两阶段过程分别探讨了这些术语的攻击性。我们还提出了一个Multared和Ensemble版本的MD攻击。通过调查自2018年以来提出的17个防御模型，我们发现6种型号易受不平衡梯度的影响，我们的MD攻击可以减少由最佳基线独立攻击评估的鲁棒性另外2％。我们还提供了对不平衡梯度的可能原因和有效对策的深入分析。