何恺明重提十年之争——模型表现好是源于能力提升还是捕获数据集偏置？

夕小瑶科技说 原创
作者 | Zicy
想象一下，如果把世界上所有的图片都找来，给它们放到一块巨大的空地上，其中内容相似的图片放得近一些，内容不相似的图片放得远一些（类比向量嵌入）。然后，我随机地向这片空地撒一把豆子，那么这把豆子怎么才能尽量撒得均匀？

在真实世界收集数据集的过程就像是在撒豆子，把被撒到豆子的图片收集起来。简单来说，豆子撒不匀，数据集就有偏置。

论文标题：
A Decade’s Battle on Dataset Bias: Are We There Yet?

文章链接：
https://arxiv.org/pdf/2403.08632.pdf

数据集偏置之战，最初在2011年由知名学者Antonio Torralba和Alyosha Efros提出——Alyosha Efros正是Sora两位一作博士小哥（Tim Brooks和William Peebles）的博士导师，而Antonio Torralba也在本科期间指导过Peebles。

如今13年过去，这场旷日持久的战争仍在继续，CV大牛何恺明团队再次深度解析这个问题，模型表现好是源于能力提升还是捕获数据集偏置？

什么是数据集偏置？

数据集偏置（Dataset Bias）是指在数据收集、选择或处理过程中引入的系统性偏差，导致数据集不能公平、全面地代表整个问题空间或现实世界的各个方面，而是较为集中地代表其中某些方面。这种偏差会影响数据集的代表性，进而影响训练模型的鲁棒性、泛化能力和公平性。

计算机视觉任务中，察觉数据集的偏置对人类来说是十分困难的，下面的15张图片分别来自3个数据集，每个数据集5张，你能发现哪5张图片来自同一数据集吗？

揭晓答案：1, 4, 7, 10, 13来自同一数据集，名为YFCC 2, 5, 8, 11, 14来自同一数据集，名为CC 3, 6, 9, 12, 15来自同一数据集，名为DataComp

尽管对人类来说十分困难，但神经网络却可以轻易地发现数据集中存在的潜在偏置，分类准确率达到84.7%。即使是自监督分类也能达到惊人的78%

数据集偏置的来源（为什么豆子撒不匀？）

1、选择偏置（Selection Bias）：数据收集过程中对特定样本的偏好选择。例如，在进行人脸识别研究时，数据集中的大多数人脸来自特定的种族或性别。

2、采样偏置（Sampling Bias）：数据集的采样方法未能准确反映目标。

3、标签偏置（Label Bias）：在监督学习中，数据标签可能受到客观或主观因素影响，导致某些类别被过度表示或错误标注。

4、社会文化偏置（Sociocultural Bias）：数据集可能反映了特定社会、文化的偏见和刻板印象，这些偏见被模型学习后可能在预测时被放大，引发道德和社会问题。

论文的主要实验

论文通过一系列实验，说明了数据集的偏置问题，仍广泛存在于当今的计算机视觉研究中。

作者选定了六个数据集来进行数据集分类任务，用ConvNeXt-T模型来判断图片来自于哪个数据集，结果如下图所示，左边是选择了哪些数据集，右边是分类的准确率指标，作者共进行了24组实验。

即使换用不同的模型，偏置效果依然显著

但是，进行伪数据集分类实验（把同一个数据集随机分成3类并打上不同的类别标签），准确率就会接近33%，这证明了实验任务的合理性。

CV数据集的偏置，是什么样的？

是低阶特征吗？

分别对原始数据集进行颜色抖动、加噪、模糊和降采样操作，如下图所示

发现对数据集的分类性能影响并不大

所以，低阶特征对数据集分类有点影响，但影响不大，低阶特征只能看作是数据集偏置的很小一部分。

更多的实际上是语义特征

文章进行了线性探测实验（linear probing），用于判断两个任务（任务a和任务b）的相似性。

具体来说，步骤是这样的：

1、任务a作为预训练任务，训练模型A 

2、冻结模型A的所有参数，然后在A的顶层添加一个简单的线性分类器，我们称为模型B（冻结了参数的A+线性分类器） 

3、在任务b上训练模型B

这样我们把模型A作为特征提取器，看看这个特征提取器对任务b的增益。

论文将数据集分类任务作为任务a，然后把ImageNet图片分类任务作为任务b，评估这些通过数据集分类学习到的特征在图像分类任务上的表现，结果如下

结果显示，相比于随机初始化的权重，这些特征可以提升ImageNet分类任务的性能，尽管这种提升并不如直接在ImageNet上预训练的模型那样显著。

这证明了数据集分类任务所提取到的特征明显有益于图像分类任务，而图像分类任务需要的是语义特征。

讨论

CV数据集的偏置很可能以语义特征为主，而低阶特征通过干扰语义特征来影响偏置。

对于人类来说，NLP数据集的偏置更容易被察觉，比如文风，语义等等。相比之下，CV数据集的偏置就难以察觉，所以更值得研究。

判断数据集偏置（如何判断豆子到底撒的匀不匀？）

除了论文提到的数据集分类方法，还有一些其他工作提出的方法。

1、交叉数据集验证：在一个数据集上训练模型，然后在另一个数据集上测试它的性能。

2、分析数据集构成：统计分析数据集中的类别分布、样本多样性（如种族、性别、年龄等属性在人脸数据集中的分布），以及图像的获取和处理方式（例如拍摄角度、光照条件等）。

3、用户研究：让人类参与者尝试识别图像的数据集来源或评估图像的多样性。

4、平等机会：对于给定的正确标签，所有群体（通常是受保护的群体，如不同的种族、性别等）都应该有相同的真阳性率。

5、平均奇异值差异：比较两个数据集或两组模型特征的奇异值，以此来衡量它们在统计属性或信息含量上的差异。

用模型对抗数据集偏置（既然豆子撒不匀，有没有弥补的方法？）

这里我们介绍两篇先前的工作，他们试图通过改变模型的训练方式，来减少已有数据集偏置造成的影响。

对抗性学习：通过引入对抗性示例来增强模型鲁棒性，使其无法区分不同群体或类别的数据，从而减少模型对这些特征的依赖。

领域独立训练:使模型能够在多个不同的领域或数据分布中都表现良好。

所以到底怎么撒豆子？

回到我们文章开头的那个问题，我们如何把豆子撒的均匀呢？这篇论文也没有给出答案，自从2011年提出这个问题，它就一直伴随着整个深度学习革命，在今天这仍然是一个值得研究的方向。

总地来说，过去十年里，尽管在减少数据集偏差方面取得了一定进展，但现代神经网络的能力使得它们能够轻易地识别出数据集中的偏置，这提示我们在建立数据集时应当更加小心。