Генерация объектов

Эта статья находится в разработке!

Диаграмма generative adversarial network.

Задача генерации объектов (англ. object generation problem) — задача, связанная с машинным обучением, заключающаяся в создании новых правдоподобных объектов на основании заданной выборки. Полученные объекты могут как быть использованы независимо для прикладных целей (в таком случае, это чаще всего изображения), так и для устранения несбалансированности классов (оверсэмплинг) и дальнейшей обработки данных (обычно классификации). В зависимости от того, для какой из этих целей используется генерация объектов, постановка задачи и методы её решения несколько отличаются.

Генерация объектов для прикладных целей

Применение

Основная цель при генерации объектов для прикладных целей обычно состоит в том, чтобы научиться создавать изображения, которые человек не может отличить от изображений, полученных иных путём. Такие изображения могут использоваться, среди прочего, для более дешёвого создания модельных снимков, обложек или пейзажей. Одним из ярких примеров такого использования является создание фотографий вымышленных людей для рекламы в расчёте на то, что люди будут больше ассоциировать себя с образом, не представляющим кого-либо конкретного, но сочетающим в себе те черты, которые есть у них самих. Также генерация объектов может использоваться при воссоздании текстур старых игр в лучшем расширении (пример игры, для которой был использован такой метод – Resident Evil ), улучшении астрономических изображений и моделировании дорогостоящих для изучения физических процессов.

Пример сгенерированного изображения

Используемые модели

Для достижения данной цели обычно используются порождающие модели. В таком варианте в качестве задачи ставится восстановление совместного распределения [math]p(x,y)[/math], где [math]y[/math] — это один бит, отвечающий за отдельный признак (то есть тот класс, к которому должна принадлежать созданный объект; например, фотография человека), а [math]x[/math] — это весь объект (фотография). Чаще всего порождаемый объект [math]X[/math] представляет собой набор элементов [math]X = \{x_i\}[/math], что позволяет порождать объект по частям. Для изображения, например, такими частями будут являться пиксели. Таким образом, при порождении следующих частей объекта мы можем опираться на уже созданные, и тогда перед нами встаёт задача максимизация функции правдоподобия: для набора данных [math]X = \{x_i\}[/math] максимизировать [math]\displaystyle \prod_i p_{\operatorname{model}}(x_i;\theta)[/math] по параметрам модели θ, т.е. найти [math]\theta^* = \underset{\theta}{\operatorname{argmax}} \displaystyle \prod_i p_{\operatorname{model}}(x_i;\theta)[/math]. Эта задача относится к классу задач обучения без учителя или с частичным привлечением учителя. При её решении либо работают с явными распределениями, сводя распределение [math]p(x,y)[/math] к произведению распределений определённой структуры, либо используют неявные модели, которые не восстанавливают всю функцию плотности, а только моделируют ту часть этой функции, которая нужна непосредственно. Стоит отметить, что простые порождающие модели, такие как наивный байесовский классификатор, не показывают достаточное качество результата, чтобы на их основе можно было сгенерировать полноценные мультимедиа объекты. Из класса порождающих моделей при генерации именно изображений особенно хорошо показали себя модели состязательных сетей, PixelRNN и PixelCNN, а также DRAW (рисуют изображение с помощью сочетания рекуррентных НС и механизма внимания). Также стоит отметить модель WaveNet, используемую для создания звуковых записей. Эта модель создана в 2016 году, а к 2018 году, после нескольких оптимизаций вычислительной сложности, она нашла применение в Google при создании образцов речи на различных языках.

Оверсэмплинг

Основная причина применения расширения выборки за счёт создания объектов – дисбаланс классов в уже имеющейся выборке. Этот дисбаланс может быть двух типов:

• Недостаточное представление класса в одной или нескольких входных переменных. Это явление широко распространено в реальных данных и возникает естественным образом, например, при социологических исследованиях. Так, при случайном нестратифицированном опросе программистов-женщин будет опрошено в несколько раз меньше, чем мужчин, так как мужчины больше представлены в данной профессии, что может оказаться важным при установлении связи с такой переменной, как стаж работы.
• Недостаточное представление класса в выходной переменной. Это явление так же широко также распространено в реальных данных. Особенно часто этот эффект проявляется в медицине, где процент заболевших обычно много меньше процента здоровых обследуемых. Адекватность оценки предсказания в таких случаях помогает сохранять использование точности, полноты и F-меры.

Дисбаланс данных является проблемой потому, что, хотя некоторые аналитические методы (линейная и логистическая регрессия) устойчивы к дисбалансу данных, многие другие (например, нейронные сети) уязвимы к нему и снижают качество предсказания. В связи с этим возникает задача балансировки данных, которая может быть решена двумя способами: оверсэмплинг (генерация новых объектов выборки миноритарного или менее представленного класса) и андерсэмплинг (удаление из выборки объектов мажоритарного или более представленного класса). В рамках данной статьи будет рассмотрен только оверсэмплинг, так как именно он связан с генерацией объектов.

Используемые методы

Случайный оверсэмплинг – создание копий нескольких объектов миноритарного класса. Этот метод включает несколько вариаций, так как могут различаться количество копий [math](2, 5, 10)[/math] и более для каждого объекта и доля объектов миноритарного класса, для которой создаются копии. Этот метод – один из самых ранних, для него доказана выбросоустойчивость (robustness). Однако его эффективность часто недостаточна.

SMOTE (Synthetic Minority Oversampling Technique) – генерация искусственных примеров, не совпадающих с имеющимися в выборке. Этот алгоритм во многом основан на методе ближайшего соседа. Для создания новой записи находят разность [math]d=X_b–X_a[/math], где [math]X_a,X_b[/math] – векторы признаков «соседних» примеров [math]a[/math] и [math]b[/math] из миноритарного класса (их находят так же, как в методе kNN). В данном случае необходимо и достаточно для примера [math]b[/math] получить набор из [math]k[/math] соседей, из которого в дальнейшем будет выбрана запись [math]b[/math]. Далее из [math]d[/math] путем умножения каждого его элемента на случайное число в интервале [math](0, 1)[/math] получают [math]d[/math]. Вектор признаков нового примера вычисляется путем сложения [math]X_a[/math] и [math]d[/math]. Алгоритм SMOTE позволяет задавать количество записей, которое необходимо искусственно сгенерировать. Степень сходства примеров [math]a[/math] и [math]b[/math] можно регулировать путем изменения значения [math]k[/math] (числа ближайших соседей). Пример работы алгоритма продемонстрирован на рис. 1.

Рис. 1. Пример работы алгоритма SMOTE

Данный подход имеет недостаток в том, что «вслепую» увеличивает плотность примерами в области слабо представленного класса. Пример такого увеличения изображён на рис. 2.

Рис. 2. Пример неудачного срабатывания SMOTE

ASMO (Adaptive Synthetic Minority Oversampling) – алгоритм адаптивного искусственного увеличения числа примеров миноритарного класса, модифицирующий SMOTE. В случае, если миноритарные примеры равномерно распределены среди мажоритарных и имеют низкую плотность, алгоритм SMOTE только сильнее перемешает классы. В качестве решения данной проблемы был предложен алгоритм ASMO. Он применяется, если для каждого [math]i[/math]-ого примера миноритарного класса из [math]k[/math] ближайших соседей [math]g (g≤k)[/math] принадлежит к мажоритарному. В этом случае на основании примеров миноритарного класса выделяется несколько кластеров и для примеров каждого кластера применяют SMOTE.

ADASYN (Adaptive synthetic sampling) – семейство методов, являющихся попыткой «адаптации» SMOTE, то есть создания объектов, с которыми на выборке будет показан лучший результат классификации. Такие методы могут: создавать больше данных на миноритарных классах, на которых обучение сложнее; изменять пространство объектов в сторону точек, у которых соседи неоднородны; просто добавлять случайное изменение к генерируемым точкам для создания естественного шума.

Источники

1. Генеративно-состязательная сеть
2. WaveNet
3. Оверсемплинг
4. Методы работы с небалансными классами
5. Оверсемплинг с SMOTE
6. Методы работы с небалансными данными в SMOTE и ADASYN
7. Несбалансированные датасеты