Cross entropy loss has served as the main objective function for classification-based tasks. Widely deployed for learning neural network classifiers, it shows both effectiveness and a probabilistic interpretation. Recently, after the success of self supervised contrastive representation learning methods, supervised contrastive methods have been proposed to learn representations and have shown superior and more robust performance, compared to solely training with cross entropy loss. However, cross entropy loss is still needed to train the final classification layer. In this work, we investigate the possibility of learning both the representation and the classifier using one objective function that combines the robustness of contrastive learning and the probabilistic interpretation of cross entropy loss. First, we revisit a previously proposed contrastive-based objective function that approximates cross entropy loss and present a simple extension to learn the classifier jointly. Second, we propose a new version of the supervised contrastive training that learns jointly the parameters of the classifier and the backbone of the network. We empirically show that our proposed objective functions show a significant improvement over the standard cross entropy loss with more training stability and robustness in various challenging settings.

Contrastive learning applied to self-supervised representation learning has seen a resurgence in recent years, leading to state of the art performance in the unsupervised training of deep image models. Modern batch contrastive approaches subsume or significantly outperform traditional contrastive losses such as triplet, max-margin and the N-pairs loss. In this work, we extend the self-supervised batch contrastive approach to the fully-supervised setting, allowing us to effectively leverage label information. Clusters of points belonging to the same class are pulled together in embedding space, while simultaneously pushing apart clusters of samples from different classes. We analyze two possible versions of the supervised contrastive (SupCon) loss, identifying the best-performing formulation of the loss. On ResNet-200, we achieve top-1 accuracy of 81.4% on the Ima-geNet dataset, which is 0.8% above the best number reported for this architecture. We show consistent outperformance over cross-entropy on other datasets and two ResNet variants. The loss shows benefits for robustness to natural corruptions, and is more stable to hyperparameter settings such as optimizers and data augmentations. Our loss function is simple to implement and reference TensorFlow code is released at https://t.ly/supcon 1 .

通过对比学习，自我监督学习最近在视觉任务中显示了巨大的潜力，这旨在在数据集中区分每个图像或实例。然而，这种情况级别学习忽略了实例之间的语义关系，有时不希望地从语义上类似的样本中排斥锚，被称为“假否定”。在这项工作中，我们表明，对于具有更多语义概念的大规模数据集来说，虚假否定的不利影响更为重要。为了解决这个问题，我们提出了一种新颖的自我监督的对比学习框架，逐步地检测并明确地去除假阴性样本。具体地，在训练过程之后，考虑到编码器逐渐提高，嵌入空间变得更加语义结构，我们的方法动态地检测增加的高质量假否定。接下来，我们讨论两种策略，以明确地在对比学习期间明确地消除检测到的假阴性。广泛的实验表明，我们的框架在有限的资源设置中的多个基准上表现出其他自我监督的对比学习方法。

对比性自我监督学习（CSL）是一种实用解决方案，它以无监督的方法从大量数据中学习有意义的视觉表示。普通的CSL将从神经网络提取的特征嵌入到特定的拓扑结构上。在训练进度期间，对比度损失将同一输入的不同视图融合在一起，同时将不同输入分开的嵌入。 CSL的缺点之一是，损失项需要大量的负样本才能提供更好的相互信息理想。但是，通过较大的运行批量大小增加负样本的数量也增强了错误的负面影响：语义上相似的样品与锚分开，因此降低了下游性能。在本文中，我们通过引入一个简单但有效的对比学习框架来解决这个问题。关键的见解是使用暹罗风格的度量损失来匹配原型内特征，同时增加了原型间特征之间的距离。我们对各种基准测试进行了广泛的实验，其中结果证明了我们方法在提高视觉表示质量方面的有效性。具体而言，我们使用线性探针的无监督预训练的Resnet-50在Imagenet-1K数据集上超过了受访的训练有素的版本。

This paper presents Prototypical Contrastive Learning (PCL), an unsupervised representation learning method that bridges contrastive learning with clustering. PCL not only learns low-level features for the task of instance discrimination, but more importantly, it encodes semantic structures discovered by clustering into the learned embedding space. Specifically, we introduce prototypes as latent variables to help find the maximum-likelihood estimation of the network parameters in an Expectation-Maximization framework. We iteratively perform E-step as finding the distribution of prototypes via clustering and M-step as optimizing the network via contrastive learning. We propose ProtoNCE loss, a generalized version of the InfoNCE loss for contrastive learning, which encourages representations to be closer to their assigned prototypes. PCL outperforms state-of-the-art instance-wise contrastive learning methods on multiple benchmarks with substantial improvement in low-resource transfer learning. Code and pretrained models are available at https://github.com/salesforce/PCL.

在对比学习中，最近的进步表现出了出色的表现。但是，绝大多数方法仅限于封闭世界的环境。在本文中，我们通过挖掘开放世界的环境来丰富表示学习的景观，其中新颖阶级的未标记样本自然可以在野外出现。为了弥合差距，我们引入了一个新的学习框架，开放世界的对比学习（Opencon）。Opencon应对已知和新颖阶级学习紧凑的表现的挑战，并促进了一路上的新颖性发现。我们证明了Opencon在挑战基准数据集中的有效性并建立竞争性能。在Imagenet数据集上，Opencon在新颖和总体分类精度上分别胜过当前最佳方法的最佳方法，分别胜过11.9％和7.4％。我们希望我们的工作能为未来的工作打开新的大门，以解决这一重要问题。

我们介绍了代表学习（CARL）的一致分配，通过组合来自自我监督对比学习和深层聚类的思路来学习视觉表现的无监督学习方法。通过从聚类角度来看对比学习，Carl通过学习一组一般原型来学习无监督的表示，该原型用作能量锚来强制执行给定图像的不同视图被分配给相同的原型。与与深层聚类的对比学习的当代工作不同，Carl建议以在线方式学习一组一般原型，使用梯度下降，而无需使用非可微分算法或k手段来解决群集分配问题。卡尔在许多代表性学习基准中超越了竞争对手，包括线性评估，半监督学习和转移学习。

现实世界中的数据通常遵循长尾巴的分布，其中一些多数类别占据了大多数数据，而大多数少数族裔类别都包含有限数量的样本。分类模型最小化跨凝结的努力来代表和分类尾部类别。尽管已经对学习无偏分类器的学习问题进行了充分的研究，但代表不平衡数据的方法却没有探索。在本文中，我们专注于表示不平衡数据的表示。最近，受到监督的对比学习最近在平衡数据上表现出了有希望的表现。但是，通过我们的理论分析，我们发现对于长尾数据，它未能形成常规的单纯形，这是代表学习的理想几何配置。为了纠正SCL的优化行为并进一步改善了长尾视觉识别的性能，我们提出了平衡对比度学习（BCL）的新型损失。与SCL相比，我们在BCL：类平均水平方面有两个改进，可以平衡负类的梯度贡献。课堂组合，允许所有类都出现在每个迷你批次中。提出的平衡对比度学习（BCL）方法满足形成常规单纯形的条件并有助于跨透明拷贝的优化。配备了BCL，提出的两分支框架可以获得更强的特征表示，并在诸如CIFAR-10-LT，CIFAR-100-LT，Imagenet-LT和Inaturalist2018之类的长尾基准数据集上实现竞争性能。我们的代码可在\ href {https://github.com/flamiezhu/bcl} {this url}中获得。

Partial label learning (PLL) is an important problem that allows each training example to be labeled with a coarse candidate set, which well suits many real-world data annotation scenarios with label ambiguity. Despite the promise, the performance of PLL often lags behind the supervised counterpart. In this work, we bridge the gap by addressing two key research challenges in PLL -- representation learning and label disambiguation -- in one coherent framework. Specifically, our proposed framework PiCO consists of a contrastive learning module along with a novel class prototype-based label disambiguation algorithm. PiCO produces closely aligned representations for examples from the same classes and facilitates label disambiguation. Theoretically, we show that these two components are mutually beneficial, and can be rigorously justified from an expectation-maximization (EM) algorithm perspective. Moreover, we study a challenging yet practical noisy partial label learning setup, where the ground-truth may not be included in the candidate set. To remedy this problem, we present an extension PiCO+ that performs distance-based clean sample selection and learns robust classifiers by a semi-supervised contrastive learning algorithm. Extensive experiments demonstrate that our proposed methods significantly outperform the current state-of-the-art approaches in standard and noisy PLL tasks and even achieve comparable results to fully supervised learning.

现有的深度聚类方法依赖于对比学习的对比学习，这需要否定例子来形成嵌入空间，其中所有情况都处于良好分离状态。但是，否定的例子不可避免地引起阶级碰撞问题，损害了群集的表示学习。在本文中，我们探讨了对深度聚类的非对比表示学习，被称为NCC，其基于Byol，一种没有负例的代表性方法。首先，我们建议将一个增强的实例与嵌入空间中的另一个视图的邻居对齐，称为正抽样策略，该域避免了由否定示例引起的类碰撞问题，从而提高了集群内的紧凑性。其次，我们建议鼓励在所有原型中的一个原型和均匀性的两个增强视图之间的对准，命名的原型是原型的对比损失或protocl，这可以最大化簇间距离。此外，我们在期望 - 最大化（EM）框架中制定了NCC，其中E-Step利用球面K手段来估计实例的伪标签和来自目标网络的原型的分布，并且M-Step利用了所提出的损失优化在线网络。结果，NCC形成了一个嵌入空间，其中所有集群都处于分离良好，而内部示例都很紧凑。在包括ImageNet-1K的几个聚类基准数据集上的实验结果证明了NCC优于最先进的方法，通过显着的余量。

Many datasets are biased, namely they contain easy-to-learn features that are highly correlated with the target class only in the dataset but not in the true underlying distribution of the data. For this reason, learning unbiased models from biased data has become a very relevant research topic in the last years. In this work, we tackle the problem of learning representations that are robust to biases. We first present a margin-based theoretical framework that allows us to clarify why recent contrastive losses (InfoNCE, SupCon, etc.) can fail when dealing with biased data. Based on that, we derive a novel formulation of the supervised contrastive loss (epsilon-SupInfoNCE), providing more accurate control of the minimal distance between positive and negative samples. Furthermore, thanks to our theoretical framework, we also propose FairKL, a new debiasing regularization loss, that works well even with extremely biased data. We validate the proposed losses on standard vision datasets including CIFAR10, CIFAR100, and ImageNet, and we assess the debiasing capability of FairKL with epsilon-SupInfoNCE, reaching state-of-the-art performance on a number of biased datasets, including real instances of biases in the wild.

基于深度学习的分类中特征表示的主要挑战之一是设计表现出强大歧视力的适当损失功能。经典的SoftMax损失并不能明确鼓励对特征的歧视性学习。研究的一个流行方向是将边缘纳入良好的损失中，以实施额外的课内紧凑性和阶层间的可分离性，但是，这是通过启发式手段而不是严格的数学原则来开发的。在这项工作中，我们试图通过将原则优化目标提出为最大的利润率来解决这一限制。具体而言，我们首先将类别的边缘定义为级别间的可分离性的度量，而样品边缘是级别的紧凑性的度量。因此，为了鼓励特征的歧视性表示，损失函数应促进类和样品的最大可能边缘。此外，我们得出了广义的保证金软损失，以得出现有基于边缘的损失的一般结论。这个原则性的框架不仅提供了新的观点来理解和解释现有的基于保证金的损失，而且还提供了新的见解，可以指导新工具的设计，包括样本保证金正则化和最大的平衡案例的最大保证金损失，和零中心的正则化案例。实验结果证明了我们的策略对各种任务的有效性，包括视觉分类，分类不平衡，重新识别和面部验证。

深度神经网络的成功在很大程度上取决于大量高质量注释的数据的可用性，但是这些数据很难或昂贵。由此产生的标签可能是类别不平衡，嘈杂或人类偏见。从不完美注释的数据集中学习无偏分类模型是一项挑战，我们通常会遭受过度拟合或不足的折磨。在这项工作中，我们彻底研究了流行的软马克斯损失和基于保证金的损失，并提供了一种可行的方法来加强通过最大化最小样本余量来限制的概括误差。我们为此目的进一步得出了最佳条件，该条件指示了类原型应锚定的方式。通过理论分析的激励，我们提出了一种简单但有效的方法，即原型锚定学习（PAL），可以轻松地将其纳入各种基于学习的分类方案中以处理不完美的注释。我们通过对合成和现实世界数据集进行广泛的实验来验证PAL对班级不平衡学习和降低噪声学习的有效性。

深度神经网络在严重的类不平衡数据集上的表现不佳。鉴于对比度学习的有希望的表现，我们提出了重新平衡的暹罗对比度采矿（RESCOM）来应对不平衡的识别。基于数学分析和仿真结果，我们声称监督的对比学习在原始批次和暹罗批次水平上都遭受双重失衡问题，这比长尾分类学习更为严重。在本文中，在原始批处理水平上，我们引入了级别平衡的监督对比损失，以分配不同类别的自适应权重。在暹罗批次级别，我们提出了一个级别平衡的队列，该队列维持所有类的键相同。此外，我们注意到，相对于对比度逻辑的不平衡对比损失梯度可以将其分解为阳性和负面因素，易于阳性和易于负面因素将使对比度梯度消失。我们建议有监督的正面和负面对挖掘，以获取信息对的对比度计算并改善表示形式学习。最后，为了大致最大程度地提高两种观点之间的相互信息，我们提出了暹罗平衡的软性软件，并与一阶段训练的对比损失结合。广泛的实验表明，在多个长尾识别基准上，RESCON优于先前的方法。我们的代码和模型可公开可用：https：//github.com/dvlab-research/rescom。

从一个非常少数标记的样品中学习新颖的课程引起了机器学习区域的越来越高。最近关于基于元学习或转移学习的基于范例的研究表明，良好特征空间的获取信息可以是在几次拍摄任务上实现有利性能的有效解决方案。在本文中，我们提出了一种简单但有效的范式，该范式解耦了学习特征表示和分类器的任务，并且只能通过典型的传送学习培训策略从基类嵌入体系结构的特征。为了在每个类别内保持跨基地和新类别和辨别能力的泛化能力，我们提出了一种双路径特征学习方案，其有效地结合了与对比特征结构的结构相似性。以这种方式，内部级别对齐和级别的均匀性可以很好地平衡，并且导致性能提高。三个流行基准测试的实验表明，当与简单的基于原型的分类器结合起来时，我们的方法仍然可以在电感或转换推理设置中的标准和广义的几次射击问题达到有希望的结果。

虽然自我监督的表示学习（SSL）在大型模型中证明是有效的，但在遵循相同的解决方案时，轻量级模型中的SSL和监督方法之间仍然存在巨大差距。我们深入研究这个问题，发现轻量级模型在简单地执行实例对比时易于在语义空间中崩溃。为了解决这个问题，我们提出了一种与关系知识蒸馏（REKD）的关系方面的对比范例。我们介绍一个异构教师，明确地挖掘语义信息并将新颖的关系知识转移到学生（轻量级模型）。理论分析支持我们对案例对比度的主要担忧，验证了我们关系的对比学习的有效性。广泛的实验结果还表明，我们的方法达到了多种轻量级模型的显着改进。特别是，亚历谢的线性评估显然将目前的最先进从44.7％提高到50.1％，这是第一个接近监督50.5％的工作。代码将可用。

最近，深度度量学习（DML）的实质性研究努力集中在设计复杂的成对距离损失，这需要卷积方案来缓解优化，例如样本挖掘或配对加权。分类的标准交叉熵损失在DML中大大忽略了。在表面上，交叉熵可能看起来不相关，与度量学习无关，因为它没有明确地涉及成对距离。但是，我们提供了一个理论分析，将交叉熵链接到几个众所周知的和最近的成对损耗。我们的连接是从两种不同的观点绘制：一个基于明确的优化洞察力;另一个关于标签与学到的相互信息的判别和生成观点。首先，我们明确证明交叉熵是新的成对损耗的上限，其具有类似于各种成对损耗的结构：它最大限度地减少了课堂内距离，同时最大化了阶级间距离。结果，最小化交叉熵可以被视为近似束缚 - 优化（或大大最小化）算法，以最小化该成对丢失。其次，我们表明，更一般地，最小化跨熵实际上是相当于最大化互联信息的相同信息，我们连接多个众所周知的成对损耗。此外，我们表明，各种标准成对损耗可以通过绑定的关系彼此明确地与彼此有关。我们的研究结果表明，交叉熵代表了最大化相互信息的代理 - 作为成对损耗，没有必要进行复杂的样品挖掘启发式。我们对四个标准DML基准测试的实验强烈支持我们的调查结果。我们获得最先进的结果，优于最近和复杂的DML方法。

在本文中，我们提出了广义参数对比度学习（GPACO/PACO），该学习在不平衡和平衡数据上都很好地工作。基于理论分析，我们观察到，受监督的对比损失倾向于偏向高频类别，从而增加了学习不平衡的学习难度。我们从优化的角度介绍了一组参数班的可学习中心，以重新平衡。此外，我们在平衡的环境下分析了GPACO/PACO损失。我们的分析表明，GPACO/PACO可以适应地增强同一等级样品的强度，因为将更多的样品与相应的中心一起拉在一起并有益于艰难的示例学习。长尾基准测试的实验表明了长尾识别的新最先进。在完整的Imagenet上，与MAE模型相比，从CNN到接受GPACO损失训练的视觉变压器的模型显示出更好的泛化性能和更强的鲁棒性。此外，GPACO可以应用于语义分割任务，并在4个最受欢迎的基准测试中观察到明显的改进。我们的代码可在https://github.com/dvlab-research/parametric-contrastive-learning上找到。

对比学习的标准方法是最大化数据不同观点之间的一致性。这些视图成对排序，使它们是正面的，编码对应于不同对象的视图对应的同一对象的不同视图或负面的视图。监督信号来自最大程度地提高正面对的总相似性，而为了避免崩溃，需要负面对。在这项工作中，我们注意到，当从数据的视图中形成集合时，考虑单个对的方法无法解释集合和集合间的相似性。因此，它限制了可用于训练表示形式的监督信号的信息内容。我们建议通过将对比对象作为集合进行对比，超越对比对象。为此，我们使用旨在评估集合和图形相似性的组合二次分配理论，并将设定对比度物镜作为对比度学习方法的正规化学方法。我们进行实验，并证明我们的方法改善了对度量学习和自我监督分类任务的学说。

由于其无监督的性质和下游任务的信息性特征表示，实例歧视自我监督的代表学习受到了受到关注的。在实践中，它通常使用比监督类的数量更多的负样本。然而，现有分析存在不一致;从理论上讲，大量的负样本在下游监督任务上降低了分类性能，同时凭经验，它们提高了性能。我们提供了一种新颖的框架，用于使用优惠券收集器的问题分析关于负样本的经验结果。我们的界限可以通过增加负样本的数量来隐立地纳入自我监督损失中的下游任务的监督损失。我们确认我们的拟议分析持有现实世界基准数据集。