在现代分类任务中，标签数量越来越大，实际上遇到的数据集的大小也越来越大。随着班级数量的增加，阶级的歧义和阶级失衡变得越来越有问题，以达到高顶级1的准确性。同时，TOP-K指标（允许K猜测的指标）变得流行，尤其是用于性能报告。然而，提出为深度学习量身定制的Top-K损失仍然是一个挑战，无论是理论上还是实际的。在本文中，我们引入了由Top-K校准损失的最新发展启发的随机TOP-K铰链损失。我们的建议基于在灵活的“扰动优化器”框架上的Top-K操作员建筑的平滑。我们表明，在平衡数据集的情况下，我们的损失函数的性能非常出色，同时，与最先进的TOP-K损失函数相比，计算时间明显低。此外，我们为不平衡案例提出了一个简单的损失变体。在重尾数据集上的实验表明，我们的损失函数显着优于其他基线损失函数。

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。

In this paper, we present a simple yet effective method (ABSGD) for addressing the data imbalance issue in deep learning. Our method is a simple modification to momentum SGD where we leverage an attentional mechanism to assign an individual importance weight to each gradient in the mini-batch. Unlike many existing heuristic-driven methods for tackling data imbalance, our method is grounded in {\it theoretically justified distributionally robust optimization (DRO)}, which is guaranteed to converge to a stationary point of an information-regularized DRO problem. The individual-level weight of a sampled data is systematically proportional to the exponential of a scaled loss value of the data, where the scaling factor is interpreted as the regularization parameter in the framework of information-regularized DRO. Compared with existing class-level weighting schemes, our method can capture the diversity between individual examples within each class. Compared with existing individual-level weighting methods using meta-learning that require three backward propagations for computing mini-batch stochastic gradients, our method is more efficient with only one backward propagation at each iteration as in standard deep learning methods. To balance between the learning of feature extraction layers and the learning of the classifier layer, we employ a two-stage method that uses SGD for pretraining followed by ABSGD for learning a robust classifier and finetuning lower layers. Our empirical studies on several benchmark datasets demonstrate the effectiveness of the proposed method.

当可能的许多标签是可能的时，选择单个可以导致低精度。一个常见的替代方案，称为顶级k $分类，是选择一些数字$ k $（通常约5），并返回最高分数的$ k $标签。不幸的是，对于明确的案例，$ k> 1 $太多，对于非常暧昧的情况，$ k \ leq 5 $（例如）太小。另一种明智的策略是使用一种自适应方法，其中返回的标签数量随着计算的歧义而变化，但必须平均到所有样本的某些特定的$ k $。我们表示这种替代方案 - $ k $分类。本文在平均值的含量较低的误差率时，本文正式地表征了模糊性曲线，比固定的顶级k $分类更低。此外，它为固定尺寸和自适应分类器提供了自然估计程序，并证明了它们的一致性。最后，它报告了实际图像数据集的实验，揭示了平均值的效益 - 在实践中的价格超过高度k $分类。总的来说，当含糊不清的歧义时，平均值-$ k $永远不会比Top-$ K $更差，并且在我们的实验中，当估计时，这也持有。

In the presence of noisy labels, designing robust loss functions is critical for securing the generalization performance of deep neural networks. Cross Entropy (CE) loss has been shown to be not robust to noisy labels due to its unboundedness. To alleviate this issue, existing works typically design specialized robust losses with the symmetric condition, which usually lead to the underfitting issue. In this paper, our key idea is to induce a loss bound at the logit level, thus universally enhancing the noise robustness of existing losses. Specifically, we propose logit clipping (LogitClip), which clamps the norm of the logit vector to ensure that it is upper bounded by a constant. In this manner, CE loss equipped with our LogitClip method is effectively bounded, mitigating the overfitting to examples with noisy labels. Moreover, we present theoretical analyses to certify the noise-tolerant ability of LogitClip. Extensive experiments show that LogitClip not only significantly improves the noise robustness of CE loss, but also broadly enhances the generalization performance of popular robust losses.

Deep neural networks may easily memorize noisy labels present in real-world data, which degrades their ability to generalize. It is therefore important to track and evaluate the robustness of models against noisy label memorization. We propose a metric, called susceptibility, to gauge such memorization for neural networks. Susceptibility is simple and easy to compute during training. Moreover, it does not require access to ground-truth labels and it only uses unlabeled data. We empirically show the effectiveness of our metric in tracking memorization on various architectures and datasets and provide theoretical insights into the design of the susceptibility metric. Finally, we show through extensive experiments on datasets with synthetic and real-world label noise that one can utilize susceptibility and the overall training accuracy to distinguish models that maintain a low memorization on the training set and generalize well to unseen clean data.

We introduce a tunable loss function called $\alpha$-loss, parameterized by $\alpha \in (0,\infty]$, which interpolates between the exponential loss ($\alpha = 1/2$), the log-loss ($\alpha = 1$), and the 0-1 loss ($\alpha = \infty$), for the machine learning setting of classification. Theoretically, we illustrate a fundamental connection between $\alpha$-loss and Arimoto conditional entropy, verify the classification-calibration of $\alpha$-loss in order to demonstrate asymptotic optimality via Rademacher complexity generalization techniques, and build-upon a notion called strictly local quasi-convexity in order to quantitatively characterize the optimization landscape of $\alpha$-loss. Practically, we perform class imbalance, robustness, and classification experiments on benchmark image datasets using convolutional-neural-networks. Our main practical conclusion is that certain tasks may benefit from tuning $\alpha$-loss away from log-loss ($\alpha = 1$), and to this end we provide simple heuristics for the practitioner. In particular, navigating the $\alpha$ hyperparameter can readily provide superior model robustness to label flips ($\alpha > 1$) and sensitivity to imbalanced classes ($\alpha < 1$).

标签 - 不平衡和组敏感分类中的目标是优化相关的指标，例如平衡错误和相同的机会。经典方法，例如加权交叉熵，在训练深网络到训练（TPT）的终端阶段时，这是超越零训练误差的训练。这种观察发生了最近在促进少数群体更大边值的直观机制之后开发启发式替代品的动力。与之前的启发式相比，我们遵循原则性分析，说明不同的损失调整如何影响边距。首先，我们证明，对于在TPT中训练的所有线性分类器，有必要引入乘法，而不是添加性的Logit调整，以便对杂项边缘进行适当的变化。为了表明这一点，我们发现将乘法CE修改的连接到成本敏感的支持向量机。也许是违反，我们还发现，在培训开始时，相同的乘法权重实际上可以损害少数群体。因此，虽然在TPT中，添加剂调整无效，但我们表明它们可以通过对乘法重量的初始负效应进行抗衡来加速会聚。通过这些发现的动机，我们制定了矢量缩放（VS）丢失，即捕获现有技术作为特殊情况。此外，我们引入了对群体敏感分类的VS损失的自然延伸，从而以统一的方式处理两种常见类型的不平衡（标签/组）。重要的是，我们对最先进的数据集的实验与我们的理论见解完全一致，并确认了我们算法的卓越性能。最后，对于不平衡的高斯 - 混合数据，我们执行泛化分析，揭示平衡/标准错误和相同机会之间的权衡。

与其他类别（称为少数族裔或尾巴类）相比，很少的类或类别（称为多数或头等类别的类别）具有更高的数据样本数量，在现实世界中，长尾数据集经常遇到。在此类数据集上培训深层神经网络会给质量级别带来偏见。到目前为止，研究人员提出了多种加权损失和数据重新采样技术，以减少偏见。但是，大多数此类技术都认为，尾巴类始终是最难学习的类，因此需要更多的重量或注意力。在这里，我们认为该假设可能并不总是成立的。因此，我们提出了一种新颖的方法，可以在模型的训练阶段动态测量每个类别的瞬时难度。此外，我们使用每个班级的难度度量来设计一种新型的加权损失技术，称为“基于阶级难度的加权（CDB-W）损失”和一种新型的数据采样技术，称为“基于类别难度的采样）（CDB-S ）'。为了验证CDB方法的广泛可用性，我们对多个任务进行了广泛的实验，例如图像分类，对象检测，实例分割和视频操作分类。结果验证了CDB-W损失和CDB-S可以在许多类似于现实世界中用例的类别不平衡数据集（例如Imagenet-LT，LVIS和EGTEA）上实现最先进的结果。

现代机器学习问题中的不平衡数据集是司空见惯的。具有敏感属性的代表性课程或群体的存在导致关于泛化和公平性的担忧。这种担忧进一步加剧了大容量深网络可以完全适合培训数据，似乎在训练期间达到完美的准确性和公平，但在测试期间表现不佳。为了解决这些挑战，我们提出了自动化，一个自动设计培训损失功能的双层优化框架，以优化准确性和寻求公平目标的混合。具体地，较低级别的问题列举了模型权重，并且上级问题通过监视和优化通过验证数据的期望目标来调谐损耗功能。我们的损耗设计通过采用参数跨熵损失和个性化数据增强方案，可以为类/组进行个性化处理。我们评估我们对不平衡和群体敏感分类的应用方案的方法的好处和性能。广泛的经验评估表明了自动矛盾最先进的方法的益处。我们的实验结果与损耗功能设计的理论见解和培训验证分裂的好处相辅相成。所有代码都是可用的开源。

随机平滑是目前是最先进的方法，用于构建来自Neural Networks的可认真稳健的分类器，以防止$ \ ell_2 $ - vitersarial扰动。在范例下，分类器的稳健性与预测置信度对齐，即，对平滑分类器的较高的置信性意味着更好的鲁棒性。这使我们能够在校准平滑分类器的信仰方面重新思考准确性和鲁棒性之间的基本权衡。在本文中，我们提出了一种简单的训练方案，Coined Spiremix，通过自我混合来控制平滑分类器的鲁棒性：它沿着每个输入对逆势扰动方向进行样品的凸起组合。该提出的程序有效地识别过度自信，在平滑分类器的情况下，作为有限的稳健性的原因，并提供了一种直观的方法来自适应地在这些样本之间设置新的决策边界，以实现更好的鲁棒性。我们的实验结果表明，与现有的最先进的强大培训方法相比，该方法可以显着提高平滑分类器的认证$ \ ell_2 $ -toSpustness。

Recent studies have revealed that, beyond conventional accuracy, calibration should also be considered for training modern deep neural networks. To address miscalibration during learning, some methods have explored different penalty functions as part of the learning objective, alongside a standard classification loss, with a hyper-parameter controlling the relative contribution of each term. Nevertheless, these methods share two major drawbacks: 1) the scalar balancing weight is the same for all classes, hindering the ability to address different intrinsic difficulties or imbalance among classes; and 2) the balancing weight is usually fixed without an adaptive strategy, which may prevent from reaching the best compromise between accuracy and calibration, and requires hyper-parameter search for each application. We propose Class Adaptive Label Smoothing (CALS) for calibrating deep networks, which allows to learn class-wise multipliers during training, yielding a powerful alternative to common label smoothing penalties. Our method builds on a general Augmented Lagrangian approach, a well-established technique in constrained optimization, but we introduce several modifications to tailor it for large-scale, class-adaptive training. Comprehensive evaluation and multiple comparisons on a variety of benchmarks, including standard and long-tailed image classification, semantic segmentation, and text classification, demonstrate the superiority of the proposed method. The code is available at https://github.com/by-liu/CALS.

现实世界数据普遍面对严重的类别 - 不平衡问题，并且展示了长尾分布，即，大多数标签与有限的情况有关。由此类数据集监督的NA \“IVE模型更愿意占主导地位标签，遇到严重的普遍化挑战并变得不佳。我们从先前的角度提出了两种新的方法，以减轻这种困境。首先，我们推导了一个以平衡为导向的数据增强命名均匀的混合物（Unimix）促进长尾情景中的混合，采用先进的混合因子和采样器，支持少数民族。第二，受贝叶斯理论的动机，我们弄清了贝叶斯偏见（北美），是由此引起的固有偏见先前的不一致，并将其补偿为对标准交叉熵损失的修改。我们进一步证明了所提出的方法理论上和经验地确保分类校准。广泛的实验验证我们的策略是否有助于更好校准的模型，以及他们的策略组合在CIFAR-LT，ImageNet-LT和Inattations 2018上实现最先进的性能。

事实证明，知识蒸馏是使用教师模型的预测来改善学生模型的一项有效技术。但是，最近的工作表明，在数据中的亚组中，平均效率的提高并不统一，尤其是在稀有亚组和类别上的准确性通常可能以准确性为代价。为了在可能遵循长尾分配的课程中保持强劲的表现，我们开发了蒸馏技术，这些技术是为了改善学生最差的级别表现而定制的。具体来说，我们为教师和学生介绍了不同组合的强大优化目标，并进一步允许在整体准确性和强大的最差目标之间进行任何权衡训练。我们从经验上表明，与其他基线方法相比，我们强大的蒸馏技术不仅可以实现更好的最差级别性能，而且还可以改善整体性能和最差的级别性能之间的权衡。从理论上讲，我们提供有关在目标培训健壮学生时使一名好老师的见解。

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。

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。

许多现实世界的识别问题都有不平衡或长尾标签的分布。这些分布使表示形式学习更具挑战性，因为对尾巴类别的概括有限。如果测试分布与训练分布有所不同，例如统一与长尾，需要解决分配转移的问题。为此，最近的作品通过贝叶斯定理的启发，使用边缘修改扩展了SoftMax跨凝结。在本文中，我们通过专家的平衡产品（Balpoe）概括了几种方法，该方法结合了一个具有不同测试时间目标分布的模型家庭，以解决数据中的不平衡。拟议的专家在一个阶段进行培训，无论是共同还是独立的，并无缝融合到Balpoe中。我们表明，Balpoe是Fisher的一致性，可以最大程度地减少均衡误差并执行广泛的实验以验证我们的方法的有效性。最后，我们研究了在这种情况下混合的效果，发现正则化是学习校准专家的关键要素。我们的实验表明，正则化的BALPOE在测试准确性和校准指标上的表现非常出色，从而导致CIFAR-100-LT，Imagenet-LT和Inaturalist-2018数据集的最新结果。该代码将在纸质接受后公开提供。

最近，张等人。（2021）基于$ \ ell_ \ infty $ -distance函数开发出一种新的神经网络架构，自然拥有经过认证的$ \ ell_ \ infty $坚固的稳健性。尽管具有出色的理论特性，但到目前为止的模型只能实现与传统网络的可比性。在本文中，我们通过仔细分析培训流程，大大提高了$ \ ell_ \ infty $ -distance网的认证稳健性。特别是，我们展示了$ \ ell_p $ -rexation，这是克服模型的非平滑度的关键方法，导致早期训练阶段的意外的大型嘴唇浓度。这使得优化不足以使用铰链损耗并产生次优溶液。鉴于这些调查结果，我们提出了一种简单的方法来解决上述问题，设计一种新的客观函数，这些功能将缩放的跨熵损失结合在剪切铰链损失。实验表明，使用拟议的培训策略，$ \ ell_ \ infty $-distance网的认证准确性可以从Cifar-10（$ \ epsilon = 8/255 $）的33.30％到40.06％的显着提高到40.06％，同时显着优于表现优势该地区的其他方法。我们的结果清楚地展示了$ \ ell_ \ infty $-distance净的有效性和潜力，以获得认证的稳健性。代码在https://github.com/zbh2047/l_inf-dist-net-v2上获得。

我们考虑采用转移学习方法，可以在目标任务上微调一个预处理的深神经网络。我们研究微调的概括特性，以了解过度拟合的问题，而这种问题通常在实践中发生。先前的工作表明，约束与微调初始化的距离可改善概括。使用Pac-bayesian分析，我们观察到，除了初始化的距离外，黑森人还通过深神网络的噪声稳定性影响噪声注射。在观察过程中，我们为广泛的微调方法开发了基于HESSIAN距离的概括界。此外，我们研究了在嘈杂标签的情况下进行微调的鲁棒性。在我们的理论中，我们设计了一种算法，该算法结合了一致的损失和基于距离的正则化，以进行微调，以及在训练集标签中有条件独立噪声下的概括错误保证。我们对各种嘈杂的环境和体系结构进行了详细的经验研究。在六个图像分类任务上，其训练标签是通过编程标签生成的，我们发现比先前的微调方法的精度增长了3.26％。同时，微型模型的Hessian距离度量降低了六倍，是现有方法的六倍。