论文解读（APCA）《Adaptive prototype and consistency alignment for semi-supervised domain adaptation》

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论文信息

论文标题：Adaptive prototype and consistency alignment for semi-supervised domain adaptation
论文作者：Jihong Ouyang、Zhengjie Zhang、Qingyi Meng
论文来源：2023 aRxiv
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1 介绍

　　

2 问题定义

　　Formally, the semi-supervised domain adaptation scenario constitutes a labeled source domain  $\mathcal{D}_{s}=\left\{\left(x_{i}^{s}, y_{i}^{s}\right)\right\}_{i=1}^{n_{s}}$  drawn from the distribution  $P$ . For the target domain, a labeled set  $\mathcal{D}_{t}=\left\{\left(x_{i}^{t}, y_{i}^{t}\right)\right\}_{i=1}^{n_{t}}$  and an unlabeled set  $\mathcal{D}_{u}=\left\{x_{i}^{u}\right\}_{i=1}^{n_{u}}$  drawn from distribution  $Q$  are given. The source and target domain are drawn from the same label space  $y=\{1,2, \ldots, K\}$ . Usually, the number of labeled samples in  $\mathcal{D}_{t}$  is minimal, e.g., one or three samples per class. SSDA aims to train the model on  $\mathcal{D}_{s}$, $\mathcal{D}_{t}$  and  $\mathcal{D}_{u}$  to correctly predict labels for samples in  $\mathcal{D}_{u} $.

3 方法

3.1 模型框架

　　

3.2 Supervised training

　　原型分类器（浅层）：

　　　　$\mathbf{p}(\mathbf{x})=\sigma\left(\frac{\mathbf{W}^{\mathrm{T}} \ell_{2}(F(\mathbf{x}))}{T}\right)  \quad\quad(1)$

 　　源域和目标域带标签监督训练：

　　　　$\mathcal{L}_{C E}=-\mathbb{E}_{(\mathbf{x}, y) \in \mathcal{D}_{s}, \mathcal{D}_{t}} y \log (\mathbf{p}(\mathbf{x}))  \quad\quad(2)$

3.3 Adaptive prototype alignment

　　利用目标域代标记数据计算原型：

　　　　$\mathbf{c}_{k}^{\mathcal{T}}=\frac{1}{\left|\mathcal{D}_{k}\right|} \sum_{\left(x_{i}^{t}, y_{i}^{t}\right) \in \mathcal{D}_{k}} F\left(x_{i}^{t}\right)\quad\quad(3)$

　　利用目标域未带标记的数据计算原型（mini-batch级别）：

　　　　$c_{k}^{u}=\frac{\sum_{i \in B_{t}} \mathbb{1}_{\left[k=\hat{y}_{i}\right]} F\left(x_{i}^{u}\right)}{\sum_{i \in B_{t}} \mathbb{1}_{\left[k=\hat{y}_{i}\right]}}\quad\quad(4)$

　　Note：目标域未带标记样本使用分类器给出伪标签；

　　　　$c_{k(m)}^{\mathcal{U}}=\eta c_{k}^{u}+(1-\eta) c_{k(m-1)}^{\mathcal{U}}\quad\quad(5)$

　　利用 EMA 修改用目标域未带标记样本计算的原型：

　　　　$c_{k(m)}^{\mathcal{U}}=\eta c_{k}^{u}+(1-\eta) c_{k(m-1)}^{\mathcal{U}}\quad\quad(6)$

　　目标域总的原型：

　　　　$c_{k}=\frac{\mathbf{c}_{k}^{\mathcal{T}}+c_{k(m)}^{\mathcal{U}}}{2}\quad\quad(7)$

　　对于源域带标记数据，可以通过目标类原型距离函数得到概率分布如下：

　　　　$p(y \mid x)=\frac{e^{-d\left(F(x), c_{y}\right)}}{\sum_{k} e^{-d\left(F(x), c_{k}\right)}}\quad\quad(8)$

　　然后，计算总体源样本的原型损失如下：

　　　　$\mathcal{L}_{A P A}=-\mathbb{E}_{\left(x_{i}^{s}, y_{i}^{s}\right) \in \mathcal{D}_{s}} \log p\left(y_{i}^{s} \mid x_{i}^{s}\right)\quad\quad(9)$

　　小结阐述：使用目标域数据（带、不带标记）计算目标域原型，然后预测源域样本的类别，并使用源域标签做监督；

3.4 Consistency alignment

　　如模型框架图所示，目标域未带标记数据被分为弱、强数据增强样本，对于弱数据增强样本，使用分类器得到硬标签，并计算交叉熵（基于阈值$\gamma$）：

　　　　$\left.\ell_{c r}=-\mathbb{1}\left(\max \left(\mathbf{p}_{w}\right)>\tau\right) \log \mathbf{p}\left(y=\hat{p} \mid \mathcal{S}\left(x_{i}^{u}\right)\right)\right)\quad\quad(10)$

　　为了避免过拟合，使用多样性损失：

　　　　$\ell_{k l d}=-\mathbb{1}\left(\max \left(\mathbf{p}_{w}\right)>\tau\right) \sum_{k=1}^{C} \frac{1}{C} \log \mathbf{p}\left(y=k \mid \mathcal{S}\left(x_{i}^{u}\right)\right)\quad\quad(11)$

　　Note：KLD正则化鼓励预测结果接近均匀分布，从而使预测结果不会过拟合伪标签。

　　因此，一致性对齐模块的整体损失函数可以表示如下：

　　　　$\mathcal{L}_{C O N}=\mathbb{E}_{x_{i}^{u} \in \mathcal{D}_{u}}\left(\ell_{c r}+\lambda_{k l d} \ell_{k l d}\right)\quad\quad(12)$

3.5 Overall framework and training objective

　　本文方法是基于MME [45]的，它采用对抗性学习来改进域间自适应的样本特征对齐。将MME[45]中提到的熵损失纳入到本文的损失函数中。总体损失函数是上述损失函数的和，如下：

　　　　$\theta_{\mathcal{F}}=\underset{\theta_{\mathcal{F}}}{\arg \min } \mathcal{L}_{C E}+\mathcal{L}_{H}+\lambda_{1} \mathcal{L}_{A P A}+\lambda_{2} \mathcal{L}_{C O N}\quad\quad(13)$

　　　　$\theta_{\mathcal{C}}=\underset{\theta_{\mathcal{A}}}{\arg \min } \mathcal{L}_{C E}-\mathcal{L}_{H}+\lambda_{1} \mathcal{L}_{A P A}+\lambda_{2} \mathcal{L}_{C O N}$

　　其中：

　　　　$\mathcal{L}_{H}=-\mathbb{E}_{x_{i}^{u} \in \mathcal{D}_{u}} \sum_{i=1}^{K} p\left(y=i \mid x_{i}^{u}\right) \log p\left(y=i \mid x_{i}^{u}\right)$

3.6 算法框架

　　

4 实验

分类准确度

　　

参数敏感性

　　

　　

消融实验