何愷明、Ross Girshick等大神深夜扔出“炸彈”：ImageNet預(yù)訓(xùn)練并非必須

何愷明、Ross Girshick等大神深夜扔出“炸彈”：ImageNet預(yù)訓(xùn)練并非必須。大神們使用隨機初始化變得到了媲美COCO冠軍的結(jié)果，無情顛覆“預(yù)訓(xùn)練+微調(diào)”思維定式——再看此前預(yù)訓(xùn)練與此后微調(diào)所付出的種種，嗚呼哀哉，好不苦矣！

ImageNet 有用嗎？

當(dāng)然有用。

但 ImageNet 預(yù)訓(xùn)練卻并非必須！

剛剛，何愷明等人在arxiv貼出一篇重磅論文，題為《重新思考“ImageNet預(yù)訓(xùn)練”》，讓似乎本已經(jīng)平靜的ImageNet湖面，再掀波瀾！

Facebook 人工智能研究所何愷明、Ross Cirshick 和 Piotr Dollar 三人在arxiv上貼出最新論文：重新思考ImageNet預(yù)訓(xùn)練

過去幾年來，使用ImageNet這套大規(guī)模數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練的視覺模型，對于執(zhí)行計算機視覺任務(wù)而言都是必不可少的存在。雖然并沒用多少時間，但人們似乎都默認(rèn)，計算機視覺任務(wù)需要使用ImageNet預(yù)訓(xùn)練模型。

然而，何愷明等人卻站出來說——不！

ImageNet 預(yù)訓(xùn)練模型并非必須，ImageNet 能做的只是加速收斂，對最終物體檢測的精度或?qū)嵗指畹男阅懿o幫助。

他們使用隨機初始化的模型，不借助外部數(shù)據(jù)，取得了不遜于COCO 2017冠軍的結(jié)果。

大神不愧為大神——此前我們預(yù)訓(xùn)練ImageNet模型再辛辛苦苦微調(diào)，都是為了什么？！

不用ImageNet預(yù)訓(xùn)練，隨機初始化就能媲美COCO冠軍！

何愷明等人研究表明，在COCO數(shù)據(jù)集上進(jìn)行隨機初始化訓(xùn)練，其效果能做到不次于在ImageNet上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。

而且，即使只用COCO中10％的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，依然有可能實現(xiàn)上述結(jié)果。

他們還發(fā)現(xiàn)，可以在相當(dāng)于ImageNet規(guī)模4倍大的數(shù)據(jù)集上，使用隨機初始化訓(xùn)練，而結(jié)果不發(fā)生過擬合。

圖1：我們在COCO train2017數(shù)據(jù)集上使用ResNet-50 FPN[26]和GroupNorm[48]訓(xùn)練Mask R-CNN[13]，并在val2017數(shù)據(jù)集上評估邊界框AP，通過隨機權(quán)重或ImageNet預(yù)訓(xùn)練初始化模型。我們通過改變學(xué)習(xí)率降低(準(zhǔn)確率提高)的迭代來探索不同的訓(xùn)練計劃。從隨機初始化訓(xùn)練出來的模型需要更多的迭代來收斂，但是只收斂到一個與finetuning相似的解決方案。

實驗表明，ImageNet的預(yù)訓(xùn)練在訓(xùn)練的早期加速了收斂，但并不一定提供正則化或提高最終目標(biāo)任務(wù)的精度。

具體說，何愷明等人通過實驗觀察到以下情況：

1、ImageNet預(yù)訓(xùn)練方式加快了收斂速度，特別是在訓(xùn)練早期，但隨機初始化訓(xùn)練可以在訓(xùn)練一段時間后趕上來?？紤]到前者還要進(jìn)行模型的微調(diào)，訓(xùn)練總時間二者大體相當(dāng)。由于在研究目標(biāo)任務(wù)時經(jīng)常忽略ImageNet預(yù)訓(xùn)練的成本，因此采用短期訓(xùn)練進(jìn)行的“對照”比較可能會掩蓋隨機初始化訓(xùn)練的真實表現(xiàn)。

2、ImageNet預(yù)訓(xùn)練不能自動提供性能更優(yōu)的正則化。在使用較少的圖像（不到COCO數(shù)據(jù)集的10％）進(jìn)行訓(xùn)練時，我們發(fā)現(xiàn)必須選擇新的超參數(shù)進(jìn)行微調(diào)（來自預(yù)訓(xùn)練）以避免過度擬合。當(dāng)用這些同樣的超參數(shù)進(jìn)行隨機初始化訓(xùn)練時，該模型精度可以達(dá)到預(yù)訓(xùn)練模型的水平，無需任何額外的正則化處理。

3、當(dāng)目標(biāo)任務(wù)或指標(biāo)對空間定位預(yù)測更敏感時，ImageNet預(yù)訓(xùn)練模型沒有表現(xiàn)出任何優(yōu)勢。我們觀察到，采用隨機初始化訓(xùn)練時，預(yù)測性能出現(xiàn)明顯改善。我們還發(fā)現(xiàn)，采用隨機初始化訓(xùn)練的收斂速度也較預(yù)訓(xùn)練模型快。直觀地說，基于分類任務(wù)的類ImageNet的預(yù)訓(xùn)練方式，與本地化的敏感目標(biāo)任務(wù)之間的任務(wù)間存在鴻溝，這可能會限制預(yù)訓(xùn)練模型的優(yōu)勢。

有沒有ImageNet預(yù)訓(xùn)練，區(qū)別真沒那么大

作者在論文中寫道，他們的結(jié)果挑戰(zhàn)了ImageNet對依賴任務(wù)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練的傳統(tǒng)思想，他們的發(fā)現(xiàn)將鼓勵人們重新思考當(dāng)前計算機視覺中“預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)”的“范式”。

那么，完全從零開始訓(xùn)練，與使用ImageNet預(yù)訓(xùn)練相比，最大的不同在哪里呢？

答案是“時間”。

使用ImageNet做預(yù)訓(xùn)練的模型已經(jīng)具備了邊緣、紋理等低級表征，而完全從零開始訓(xùn)練的模型需要迭代更久，因此需要更多的訓(xùn)練時間。

但是，從所需要的訓(xùn)練樣本的像素（而非實例數(shù)）來看，隨機初始化與使用ImageNet預(yù)訓(xùn)練，兩者其實相差不太多。

圖2：在所有訓(xùn)練迭代中看到的圖像、實例和像素的總數(shù)，分別表示預(yù)訓(xùn)練+微調(diào)(綠色條)vs.隨機初始化(紫色條)。我們考慮到ImageNet預(yù)訓(xùn)練需要100 epochs，fine-tuning采用2× schedule (～24 epochs over COCO)，隨機初始化采用6× schedule (～72 epochs over COCO)。我們計算ImageNet實例為1 per image (COCO是～7)，和ImageNet像素為224×224，COCO為800×1333。

下圖展示了另一個例子，使用隨機初始化（深紅和深綠）和ImageNet預(yù)訓(xùn)練（淺紅和淺綠），在多種情況下，兩者的結(jié)果都是可比的。

區(qū)別大嗎？

真的沒有那么大！

圖5：使用Mask R-CNN對不同系統(tǒng)進(jìn)行隨機初始化與預(yù)訓(xùn)練的比較，包括:(i)使用FPN和GN的baseline，(ii)使用訓(xùn)練時間多尺度增強的baseline，(iii)使用Cascade RCNN[3]和訓(xùn)練時間增強的baseline，以及(iv)加上測試時間多尺度增強的baseline。上圖：R50；下圖R101。

此論文實驗部分寫得非常漂亮，了解詳情推薦閱讀原文（地址見文末）。

“ImageNet時代完結(jié)”，從零開始訓(xùn)練完全可行

何愷明等人在這篇論文中，探討了以下幾點：

無需更改架構(gòu)，就能對目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行從頭開始的訓(xùn)練。

從頭開始訓(xùn)練需要更多的迭代，以充分收斂。

在許多情況下，從頭開始的訓(xùn)練并不比ImageNet預(yù)訓(xùn)練的同個模型差，甚至在只有10k COCO圖像的情況下也是如此。

ImageNet預(yù)訓(xùn)練加速了目標(biāo)任務(wù)的收斂。

ImageNet預(yù)訓(xùn)練不一定有助于減少過擬合，除非數(shù)據(jù)量真的非常小。

如果目標(biāo)任務(wù)對定位比對分類更敏感，那么ImageNet預(yù)訓(xùn)練的幫助較小。

從目前的文獻(xiàn)來看，這些結(jié)果是令人驚訝的，并對當(dāng)前凡是計算機視覺任務(wù)就先拿ImageNet來預(yù)訓(xùn)練的做法不啻一記當(dāng)頭棒喝。

這些結(jié)果表明，當(dāng)沒有足夠的目標(biāo)數(shù)據(jù)或計算資源來對目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行訓(xùn)練時，ImageNet預(yù)訓(xùn)練方式是一種基于“歷史”的解決方法（并且可能會持續(xù)一段時間）。

現(xiàn)在看，ImageNet標(biāo)注方便、應(yīng)用廣泛，似乎是“免費”資源，拿來用即可。

但不是的，拋開構(gòu)建ImageNet花費了多少人力物力和時間不說，對于某些任務(wù)而言，如果目標(biāo)數(shù)據(jù)與ImageNet相差太大，用在微調(diào)ImageNet預(yù)訓(xùn)練模型上的時間和精力，還不如直接從頭開始訓(xùn)練。

這項工作也并非要我們徹底拋棄預(yù)訓(xùn)練模型，而是表明（至少視覺檢測任務(wù)）除了用 ImageNet 預(yù)訓(xùn)練之外，還存在另一種訓(xùn)練方式，從零開始訓(xùn)練也完全可以。

這篇論文貼出來沒多久，知乎上便出現(xiàn)了討論“如何評價何愷明等 arxiv 新作 Rethinking ImageNet Pre-training？”

截止發(fā)稿前，點贊最高的回答來自中科院計算所博士“王晉東不在家”：

我不是排斥使用ImageNet pretrained network，我只是覺得，應(yīng)該找一些領(lǐng)域，讓ImageNet真正有用。不妨試試用這些預(yù)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)去進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像分類、極端圖像(低分辨率、逆光、精細(xì)圖像、衛(wèi)星)分類，這才是ImageNet的正確價值。

不過，欣喜的是，也有一批采用了淺層網(wǎng)絡(luò)，或者是加入對抗機制的淺層網(wǎng)絡(luò)，在最近的頂會上有所突破。

不能一直隨大流，是時候重新思考了。

另一位計算機視覺從業(yè)者mileistone也表示：

深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域理論發(fā)展慢于應(yīng)用，像“train from scratch”類似的common practice很多，這些common practice很多沒有理論支撐，我們也沒法判斷有沒有道理，我們只知道大家都這么用。因為可質(zhì)疑的地方太多了，我們很容易失去獨立思考的能力。

希望更多的“rethink”文章出來，這些文章像鯰魚一樣，持續(xù)激發(fā)深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的活力。

何愷明等人認(rèn)為，他們的論文和實驗表明，隨機初始化也有可能生成媲美COCO冠軍的結(jié)果，正因如此，計算機視覺從業(yè)者才更應(yīng)該慎待預(yù)訓(xùn)練特征。

計算機視覺的通用表征，仍然值得我們?nèi)プ非蟆?/p>