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。

Deep learning models are being increasingly applied to imbalanced data in high stakes fields such as medicine, autonomous driving, and intelligence analysis. Imbalanced data compounds the black-box nature of deep networks because the relationships between classes may be highly skewed and unclear. This can reduce trust by model users and hamper the progress of developers of imbalanced learning algorithms. Existing methods that investigate imbalanced data complexity are geared toward binary classification, shallow learning models and low dimensional data. In addition, current eXplainable Artificial Intelligence (XAI) techniques mainly focus on converting opaque deep learning models into simpler models (e.g., decision trees) or mapping predictions for specific instances to inputs, instead of examining global data properties and complexities. Therefore, there is a need for a framework that is tailored to modern deep networks, that incorporates large, high dimensional, multi-class datasets, and uncovers data complexities commonly found in imbalanced data (e.g., class overlap, sub-concepts, and outlier instances). We propose a set of techniques that can be used by both deep learning model users to identify, visualize and understand class prototypes, sub-concepts and outlier instances; and by imbalanced learning algorithm developers to detect features and class exemplars that are key to model performance. Our framework also identifies instances that reside on the border of class decision boundaries, which can carry highly discriminative information. Unlike many existing XAI techniques which map model decisions to gray-scale pixel locations, we use saliency through back-propagation to identify and aggregate image color bands across entire classes. Our framework is publicly available at \url{https://github.com/dd1github/XAI_for_Imbalanced_Learning}

In this study, we systematically investigate the impact of class imbalance on classification performance of convolutional neural networks (CNNs) and compare frequently used methods to address the issue. Class imbalance is a common problem that has been comprehensively studied in classical machine learning, yet very limited systematic research is available in the context of deep learning. In our study, we use three benchmark datasets of increasing complexity, MNIST, CIFAR-10 and ImageNet, to investigate the effects of imbalance on classification and perform an extensive comparison of several methods to address the issue: oversampling, undersampling, two-phase training, and thresholding that compensates for prior class probabilities. Our main evaluation metric is area under the receiver operating characteristic curve (ROC AUC) adjusted to multi-class tasks since overall accuracy metric is associated with notable difficulties in the context of imbalanced data. Based on results from our experiments we conclude that (i) the effect of class imbalance on classification performance is detrimental; (ii) the method of addressing class imbalance that emerged as dominant in almost all analyzed scenarios was oversampling; (iii) oversampling should be applied to the level that completely eliminates the imbalance, whereas the optimal undersampling ratio depends on the extent of imbalance; (iv) as opposed to some classical machine learning models, oversampling does not cause overfitting of CNNs; (v) thresholding should be applied to compensate for prior class probabilities when overall number of properly classified cases is of interest.

机器学习（ML）在渲染影响社会各个群体的决策中起着越来越重要的作用。 ML模型为刑事司法的决定，银行业中的信贷延长以及公司的招聘做法提供了信息。这提出了模型公平性的要求，这表明自动化的决策对于受保护特征（例如，性别，种族或年龄）通常是公平的，这些特征通常在数据中代表性不足。我们假设这个代表性不足的问题是数据学习不平衡问题的必然性。此类不平衡通常反映在两个类别和受保护的功能中。例如，一个班级（那些获得信用的班级）对于另一个班级（未获得信用的人）可能会过分代表，而特定组（女性）（女性）的代表性可能与另一组（男性）有关。相对于受保护组的算法公平性的关键要素是同时减少了基础培训数据中的类和受保护的群体失衡，这促进了模型准确性和公平性的提高。我们通过展示这些领域中的关键概念如何重叠和相互补充，讨论弥合失衡学习和群体公平的重要性；并提出了一种新颖的过采样算法，即公平的过采样，该算法既解决偏斜的类别分布和受保护的特征。我们的方法：（i）可以用作标准ML算法的有效预处理算法，以共同解决不平衡和群体权益； （ii）可以与公平感知的学习算法结合使用，以提高其对不同水平不平衡水平的稳健性。此外，我们迈出了一步，将公平和不平衡学习之间的差距与新的公平实用程序之间的差距弥合，从而将平衡的准确性与公平性结合在一起。

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％。

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。

从不平衡数据中学习是一项具有挑战性的任务。在进行不平衡数据训练时，标准分类算法的性能往往差。需要通过修改数据分布或重新设计基础分类算法以实现理想的性能来采用一些特殊的策略。现实世界数据集中不平衡的流行率导致为班级不平衡问题创造了多种策略。但是，并非所有策略在不同的失衡情况下都有用或提供良好的性能。处理不平衡的数据有许多方法，但是尚未进行此类技术的功效或这些技术之间的实验比较。在这项研究中，我们对26种流行抽样技术进行了全面分析，以了解它们在处理不平衡数据方面的有效性。在50个数据集上进行了严格的实验，具有不同程度的不平衡，以彻底研究这些技术的性能。已经提出了对技术的优势和局限性的详细讨论，以及如何克服此类局限性。我们确定了影响采样策略的一些关键因素，并提供有关如何为特定应用选择合适的采样技术的建议。

数据不平衡，即来自不同课程的培训观测数量之间的歧视，仍然是影响当代机器学习的最重要挑战之一。数据预处理技术可以减少数据不平衡对传统分类算法的负面影响，可以减少操纵训练数据以人为地降低不平衡程度的方法。然而，现有的数据预处理技术，特别是粉迹及其衍生物构成最普遍的数据预处理的范式，往往易于各种数据难度因素。这部分是由于原始粉碎算法不利用有关多数类观察的信息的事实。本文的重点是利用少数群体和多数阶级的分布的信息，自然地发展新的数据重采样策略。本文总结了12个研究论文的内容，专注于所提出的二进制数据重采采样策略，它们与多级环境的翻译，以及对组织病理数据分类问题的实际应用。

已知经过类不平衡数据培训的分类器在“次要”类的测试数据上表现不佳，我们的培训数据不足。在本文中，我们调查在这种情况下学习Convnet分类器。我们发现，Convnet显着夸大了次要类别，这与通常拟合的次要类别的传统机器学习算法完全相反。我们进行了一系列分析，并发现了特征偏差现象 - 学识渊博的Convnet在次要类别的训练和测试数据之间产生了偏差的特征 - 这解释了过度拟合的情况。为了补偿特征偏差的影响，将测试数据推向低决策价值区域，我们建议将依赖类的温度（CDT）纳入训练convnet。 CDT在训练阶段模拟特征偏差，迫使Convnet扩大次级数据的决策值，从而可以在测试阶段克服实际特征偏差。我们在基准数据集上验证我们的方法并实现有希望的性能。我们希望我们的见解能够激发解决阶级失去平衡深度学习的新思维方式。

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 .

不平衡的数据（ID）是阻止机器学习（ML）模型以实现令人满意的结果的问题。 ID是一种情况，即属于一个类别的样本的数量超过另一个类别的情况，这使此类模型学习过程偏向多数类。近年来，为了解决这个问题，已经提出了几种解决方案，该解决方案选择合成为少数族裔类生成新数据，或者减少平衡数据的多数类的数量。因此，在本文中，我们研究了基于深神经网络（DNN）和卷积神经网络（CNN）的方法的有效性，并与各种众所周知的不平衡数据解决方案混合，这意味着过采样和降采样。为了评估我们的方法，我们使用了龙骨，乳腺癌和Z-Alizadeh Sani数据集。为了获得可靠的结果，我们通过随机洗牌的数据分布进行了100次实验。分类结果表明，混合的合成少数族裔过采样技术（SMOTE） - 正态化-CNN优于在24个不平衡数据集上达到99.08％精度的不同方法。因此，提出的混合模型可以应用于其他实际数据集上的不平衡算法分类问题。

数据通常以表格格式存储。几个研究领域（例如，生物医学，断层/欺诈检测），容易出现不平衡的表格数据。由于阶级失衡，对此类数据的监督机器学习通常很困难，从而进一步增加了挑战。合成数据生成，即过采样是一种用于提高分类器性能的常见补救措施。最先进的线性插值方法，例如洛拉斯和普罗拉斯，可用于从少数族裔类的凸空间中生成合成样本，以在这种情况下提高分类器的性能。生成的对抗网络（GAN）是合成样本生成的常见深度学习方法。尽管GAN被广泛用于合成图像生成，但在不平衡分类的情况下，它们在表格数据上的范围没有充分探索。在本文中，我们表明，与线性插值方法相比，现有的深层生成模型的性能较差，该方法从少数族裔类的凸空间中生成合成样本，对于小规模的表格数据集中的分类问题不平衡。我们提出了一个深厚的生成模型，将凸出空间学习和深层生成模型的思想结合在一起。 Convgen了解了少数族类样品的凸组合的系数，因此合成数据与多数类的不同。我们证明，与现有的深层生成模型相比，我们提出的模型Convgen在与现有的线性插值方法相当的同时，改善了此类小数据集的不平衡分类。此外，我们讨论了如何将模型用于一般的综合表格数据生成，甚至超出了数据不平衡的范围，从而提高了凸空间学习的整体适用性。

With the rapid increase of large-scale, real-world datasets, it becomes critical to address the problem of longtailed data distribution (i.e., a few classes account for most of the data, while most classes are under-represented). Existing solutions typically adopt class re-balancing strategies such as re-sampling and re-weighting based on the number of observations for each class. In this work, we argue that as the number of samples increases, the additional benefit of a newly added data point will diminish. We introduce a novel theoretical framework to measure data overlap by associating with each sample a small neighboring region rather than a single point. The effective number of samples is defined as the volume of samples and can be calculated by a simple formula (1−β n )/(1−β), where n is the number of samples and β ∈ [0, 1) is a hyperparameter. We design a re-weighting scheme that uses the effective number of samples for each class to re-balance the loss, thereby yielding a class-balanced loss. Comprehensive experiments are conducted on artificially induced long-tailed CIFAR datasets and large-scale datasets including ImageNet and iNaturalist. Our results show that when trained with the proposed class-balanced loss, the network is able to achieve significant performance gains on long-tailed datasets. * The work was performed while Yin Cui and Yang Song worked at Google (a subsidiary of Alphabet Inc.).

近年来，图形神经网络（GNNS）已实现了节点分类的最新性能。但是，大多数现有的GNN会遭受图形不平衡问题。在许多实际情况下，节点类都是不平衡的，其中一些多数类构成了图的大部分部分。 GNN中的消息传播机制将进一步扩大这些多数类的主导地位，从而导致次级分类性能。在这项工作中，我们试图通过生成少数族裔类实例来平衡培训数据，从而扩展了以前的基于过度采样的技术来解决这个问题。此任务是不平凡的，因为这些技术的设计是实例是独立的。忽视关系信息会使此过采样过程变得复杂。此外，节点分类任务通常仅使用少数标记的节点进行半监督设置，从而为少数族裔实例的产生提供了不足的监督。生成的低质量新节点会损害训练有素的分类器。在这项工作中，我们通过在构造的嵌入空间中综合新节点来解决这些困难，该节点编码节点属性和拓扑信息。此外，对边缘生成器进行同时训练，以建模图结构并为新样品提供关系。为了进一步提高数据效率，我们还探索合成的混合``中间''节点在此过度采样过程中利用多数类的节点。对现实世界数据集的实验验证了我们提出的框架的有效性。

近年来，计算机视觉社区中最受欢迎的技术之一就是深度学习技术。作为一种数据驱动的技术，深层模型需要大量准确标记的培训数据，这在许多现实世界中通常是无法访问的。数据空间解决方案是数据增强（DA），可以人为地从原始样本中生成新图像。图像增强策略可能因数据集而有所不同，因为不同的数据类型可能需要不同的增强以促进模型培训。但是，DA策略的设计主要由具有领域知识的人类专家决定，这被认为是高度主观和错误的。为了减轻此类问题，一个新颖的方向是使用自动数据增强（AUTODA）技术自动从给定数据集中学习图像增强策略。 Autoda模型的目的是找到可以最大化模型性能提高的最佳DA策略。这项调查从图像分类的角度讨论了Autoda技术出现的根本原因。我们确定标准自动赛车模型的三个关键组件：搜索空间，搜索算法和评估功能。根据他们的架构，我们提供了现有图像AUTODA方法的系统分类法。本文介绍了Autoda领域的主要作品，讨论了他们的利弊，并提出了一些潜在的方向以进行未来的改进。

The long-tail distribution of the visual world poses great challenges for deep learning based classification models on how to handle the class imbalance problem. Existing solutions usually involve class-balancing strategies, e.g. by loss re-weighting, data re-sampling, or transfer learning from head-to tail-classes, but most of them adhere to the scheme of jointly learning representations and classifiers. In this work, we decouple the learning procedure into representation learning and classification, and systematically explore how different balancing strategies affect them for long-tailed recognition. The findings are surprising: (1) data imbalance might not be an issue in learning high-quality representations; (2) with representations learned with the simplest instance-balanced (natural) sampling, it is also possible to achieve strong long-tailed recognition ability by adjusting only the classifier. We conduct extensive experiments and set new state-of-the-art performance on common long-tailed benchmarks like ImageNet-LT, Places-LT and iNaturalist, showing that it is possible to outperform carefully designed losses, sampling strategies, even complex modules with memory, by using a straightforward approach that decouples representation and classification. Our code is available at https://github.com/facebookresearch/classifier-balancing.

In recent years, applying deep learning (DL) to assess structural damages has gained growing popularity in vision-based structural health monitoring (SHM). However, both data deficiency and class-imbalance hinder the wide adoption of DL in practical applications of SHM. Common mitigation strategies include transfer learning, over-sampling, and under-sampling, yet these ad-hoc methods only provide limited performance boost that varies from one case to another. In this work, we introduce one variant of the Generative Adversarial Network (GAN), named the balanced semi-supervised GAN (BSS-GAN). It adopts the semi-supervised learning concept and applies balanced-batch sampling in training to resolve low-data and imbalanced-class problems. A series of computer experiments on concrete cracking and spalling classification were conducted under the low-data imbalanced-class regime with limited computing power. The results show that the BSS-GAN is able to achieve better damage detection in terms of recall and $F_\beta$ score than other conventional methods, indicating its state-of-the-art performance.

学习（IL）是数据挖掘应用中广泛存在的重要问题。典型的IL方法利用直观的类努力重新采样或重新重量直接平衡训练集。然而，特定领域的一些最近的研究努力表明，在没有课堂上操纵的情况下可以实现类别不平衡的学习。这提示我们思考两种不同的IL战略之间的关系和班级不平衡的性质。从根本上说，它们对应于IL中存在的两个必要的不平衡：来自不同类别的示例之间的数量差异以及单个类中的易于和硬示例之间，即阶级和级别的帧内不平衡。现有工程未能明确地考虑不平衡，因此遭受次优绩效。鉴于此，我们呈现了双重平衡的集合，即杜博士，一个多功能的集合学习框架。与普遍方法不同，Dube直接执行级别的级别和级别的平衡，而无需依赖基于距离的距离的计算，这允许它在计算效率时实现竞争性能。我们还提出了关于基于杜博伊的不同间/内部平衡策略的优缺点的详细讨论和分析。广泛的实验验证了所提出的方法的有效性。代码和示例可在https://github.com/iCde20222sub/duplebalance获得。

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。

类不平衡是分类任务中经常发生的情况。从不平衡数据中学习提出了一个重大挑战，这在该领域引起了很多研究。使用采样技术进行数据预处理是处理数据中存在的不平衡的标准方法。由于标准分类算法在不平衡数据上的性能不佳，因此在培训之前，数据集需要足够平衡。这可以通过过度采样少数族裔级别或对多数级别的采样来实现。在这项研究中，已经提出了一种新型的混合采样算法。为了克服采样技术的局限性，同时确保保留采样数据集的质量，已经开发了一个复杂的框架来正确结合三种不同的采样技术。首先应用邻里清洁规则以减少失衡。然后从策略上与SMOTE算法策略性地采样，以在数据集中获得最佳平衡。该提出的混合方法学称为“ smote-rus-nc”，已与其他最先进的采样技术进行了比较。该策略进一步合并到集合学习框架中，以获得更健壮的分类算法，称为“ SRN-BRF”。对26个不平衡数据集进行了严格的实验，并具有不同程度的失衡。在几乎所有数据集中，提出的两种算法在许多情况下都超过了现有的采样策略，其差额很大。尤其是在流行抽样技术完全失败的高度不平衡数据集中，他们实现了无与伦比的性能。获得的优越结果证明了所提出的模型的功效及其在不平衡域中具有强大采样算法的潜力。