警告：本文可能出现部分惊悚内容导致不适！
前言
有幸来到鹅厂学习，接手了惊悚图片分类的问题。
这问题一听就很惊悚，事实上也很惊悚，每次打开数据集前我都要做一下心理建设。
数据量很大，有标注的惊悚数据4w，正常数据6w；数据花样很多，囊括了形形色色的网图，从大字报到游戏场景，从屠宰场到显微镜下，就看我能不能玩出点花样了。
要求
目标：二分类，只需要标记出惊悚图片即可
精度：准确率>80% 召回率>95%
难度
- 标注不正确，这是人工标注都存在的问题，理论上比较好的情况下能达到95%的准确率。
- 标注不全，惊悚图片可能同时具有多个惊悚属性，但仅有一个分类标注，例如手术场景，有器官、有血腥、甚至像虫子蠕动(此类图太扎眼，就不放了)
- 某些惊悚概念难以实际描述且不存在实体，如果说下图让人感到害怕是因为红色的眼睛和嘴，那为何红眼睛的兔子就可爱捏
- 某些令人毛骨悚然的东西藏在图片一角，占比很小
- 图片太丰富，若上线后每天有30T的图片，与训练数据必然有不同分布，那么该如何保证效果？
日志
第一阶段：初探标注情况
随意选择了Resnet50作为主体网络，看中的是强大的表达能力和较少的参数
标注将惊悚图片分为20个子类，直接训练得到效果：验证集正确率Accuracy=0.53，各类正确率分布在0.15-0.56之间。
观察到一个有意思的现象是A类较多(>0.2)识别为B类，B类较多识别为C类，但C较少(<0.05)识别为B，B也较少识别为A。
根据此结果，粗暴的将子类合并为5个超类（血腥、怪兽、器官、密集、其它），又为了平衡类样本数量，拆分部分超类，最终得到10类，直接训练结果：验证集Accuracy=0.589，各类正确率分布在0.39-0.76之间。
第二阶段：初探分类情况-baseline
继续使用Resnet50作为主体网络，使用11类，新增的一类为正常图片。
制作训练集，使得每个Batch内有一半为正常图片，另一半为均匀分布的10类惊悚图片，每个epoch中图片少的类会重复训练多次。
制作验证集，从惊悚类别中按0.3的比例截取图片，从正常图片中取6000张，数量分布如下图。
制作测试集，将后续新增的标注制作为测试集，因此与训练集和验证集的分布略有不同。
使用softmax进行多分类，验证集p=0.61
观察到在lr=0.001时网络前两个batch的loss数量级大于亿，很可能破坏了Resnet50预训练网络的参数，修改到lr=0.0003时，loss数量级为十，同时最终Accuracy=0.65，此时训练集p=1，loss已小于e-5。因此将此作为第二阶段的baseline，在测试集结果Accuracy=0.574。验证集混淆矩阵如下图，此矩阵按行表示识别为某类的比例：
支线1
考虑到每张图片可能同时属于多个惊悚类别，同时惊悚图片和正常图片是仅是二分类问题，所以这并不是一个多分类问题，修改 softmax 为 sigmod(lr=0.001)，Accuracy=0.615，目前效果不明显。
支线2
为了实现每个Batch的类比例相同，采用了直接生成文件，指导每个batch应读取的图片，没有进行动态乱序，因此在第二个epoch后不同图片并没有重新组合，理论上会导致BN层失效。因此加入乱序，继续训练，由于train loss已趋近于0，乱序后并没有增加loss，因此无效果。
主线[task7] 样本增强
由于训练集已经学不到信息，对训练集进行样本增强，增加左右镜像和随机30度旋转，训练集loss<e-3，验证集Accuracy=0.695，混淆矩阵如下：
主线[task8] 聚类
从任务7中可以发现部分类别（含人血腥和非人血腥等）之间难以区分，因此将其聚类。去除样本数量少的分类（显微镜、排泄物），剩余分类聚为5类（惊悚造型、血腥、病态|组织器官、密集虫子|蛙|蛇、正常图片)。重新制作数据集如下图所示：
训练集，共32396张图片，前16198张图片为按顺序放入的4类惊悚图片，后16198张图片为正常图片。训练时从前后各取batch_size/2张图片，进行一次乱序然后送入网络。每训练一个epoch后，将前后两部分图片分别乱序再组合。
验证集，从惊悚类别中按0.3的比例截取图片。
测试集，将后续新增的标注制作为测试集，因此与训练集和验证集的分布略有不同。
对训练集进行左右镜像和随机30度旋转的样本增强，验证集Accuracy=0.693，与11类并无明显变化。
从混淆矩阵来看，惊悚类别之间的识别错误降低至0.1以下，大部分的错误来自于惊悚类别与正常图片之间的混乱，推测是因为类别数量变少，使得我们想要的惊悚类别与正常图片识别错误的损失减小了。
支线3
使用双GPU训练，第一块GPU负责Batch的前一半，即所有的惊悚图片，第二块GPU负责Batch的后一半，即所有的正常图片。因此对于第一块GPU使用sigmoid，第二块GPU使用softmax。因网络倾向于将所有图片归为正常图片类，失败。
主线 [task11] 修改损失函数
为了强化惊悚类图片和正常图片之间的区分度，重新定义损失函数
令 loss = sigmoid(五类) + 2*softmax(惊悚类和正常类)，即从
loss = tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels = labels, logits = logits)修改为
loss1 = tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(labels = labels, logits = logits)
label_ = tf.concat([tf.reshape(tf.reduce_sum(labels[:,0:-1], axis=1),(-1,1)),labels[:,-1:]],axis=1)
logit_ = tf.concat([tf.reshape(tf.reduce_sum(logits[:,0:-1], axis=1),(-1,1)),logits[:,-1:]],axis=1)
loss2 = 2 * tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels = label_, logits = logit_)
loss = tf.reduce_mean(loss1)+tf.reduce_sum(loss2)训练100轮中在44轮达到最好效果，验证集Accuracy=0.772，测试集Accuracy=0.754，验证集混淆矩阵如下：
从混淆矩阵可以看出惊悚图片和正常图片的区分度已经很高，剩下的应该是一些困难样本的问题了。将此作为第三阶段的baseline，计算二分类下的指标（惊悚图片为正，正常图片为负）验证集精确率 Precision=0.89，召回率 recall=0.974，测试集精确率 Precision=0.897，召回率 recall=0.946。附一张训练轮数与准确度的图片：
支线4 focal loss
为了使用到大量的正常照片，向训练集中加入4万张正常图片样本，修改每个batch中正常图片和惊悚图片比例为4:1，同时为了防止样本过于不均衡，使用focal loss进一步优化损失函数。验证集Accuracy<0.76，失败。
模型分析
浏览了一遍分类错误的图片，发现主要问题有以下几点：
- 忽略了小目标，例如图片小部分区域有惊悚内容 [改进网络结构]
- 需要先验知识，例如血迹正好被遮挡的车祸现场 [放弃]
- 抽象行为，例如动漫中杀了人的暗示（邪典动画） [放弃]
- 样本数量不足（雀斑与水泡、各种虫子特写） [增加特定样本]
第三阶段：预上线
新的模型指标
线上数据量每日超过100G，无法通过标注来确定算法效果，因此将使用两个数据集来表示算法性能：
- 文章数据集，来自文章配图渠道，共11万，其中已知惊悚图片224张，算法使用此数据集验证精确率；
- 视频数据集，来自视频帧截图，共4.7万，算法使用此数据集验证召回率；
主线 [task13] 预上线模型
- 将测试集并入训练集，并使用task11模型清洗数据，将分错数据手工再次分类；
- 新增类别’其它’，将令人不适的、排泄物、难以分类的惊悚图片等少量数据加入此类
- 在正常图片中扩充大量以下领域图片[口红，黑白照片，爆炸头，游戏CG，黑基调，国画，美食，辣椒、西红柿，医疗知识，海洋生物]，同时训练集按正常图片2：1惊悚图片的比例重新生成
使用正常图片46500张，惊悚图片23250张再次训练，在80轮达到最好效果，验证集Accuracy=0.79，计算二分类下的指标（惊悚图片为正，正常图片为负）验证集精确率 Precision=0.937，召回率 recall=0.983，略有提升。以此作为预上线模型。
线上结果：召回率约0.87，精确率约0.09
分析一下原因：
- 验证集中正常图片和惊悚图片的数量近乎1：1，若将比例修改为200：1时，可计算出 p=0.069 r=0.983，而线上数据绝大部分都是正常图片
- 观察到召回的图片主要有几个特征：模糊、切肉或炒菜、色彩特别丰富、局部有红色、暗色调、游戏场景。
支线5 尝试空洞卷积提高特征视野
图片经过Resnet50之后，输出11x11x2048的特征图，原本的结构是做global pooling 成 1x1x2048 再依次接dropout=0.5，尺寸为1x1x1000, 1x1x200, 1x1x6的卷积层。提高卷积感受野，尝试使用空洞卷积，将结构修改为：特征图接2x2x1024 r=4的空洞卷积，输出 7x7x1024 的特征图；再接 global pooling 成 1x1x1024；然后接dropout=0.5，尺寸为 1x1x200, 1x1x6的卷积层。网络只能学习到惊悚图片和正常图片之间的区别， 无法细分惊悚类别，同时二分类各项指标均低于[task13]。
若将结构修改为接两层空洞卷积后，模型完全无法学到任何信息，结果分数为均值。
主线 [task15] Part Base Convolutional Baseline 思想
使用Resnet50模型作为骨干网络，输入336×336的均值图像，输出11x11x2048的特征图。对特征图的处理进行了修改：
原结构：11x11x2048–全局均值池化-[/latex]gt;1x1x2048–1×1卷积(dp=0.6)-[/latex]gt;1x1x1000(dp=0.6)–1×1卷积-[/latex]gt;1x1x200–1×1卷积-[/latex]gt;1x1x6;
新结构：11x11x2048–5×5,step=3均值池化-[/latex]gt;3x3x2048–1×1卷积(dropout=0.6)-[/latex]gt;3x3x256–1×1卷积-[/latex]gt;3x3x6–全局最大池化-[/latex]gt;1x1x6;
即将特征图分为9块，分别输出分类结果，取最大分数作为最终输出，属于一种细粒度的做法。算法在83轮达到最优结果，验证集Accuracy=0.90，多分类精度大幅提高；计算二分类下的指标（惊悚图片为正，正常图片为负）验证集精确率 Precision=0.958，召回率 recall=0.976。
为了验证将特征图用5×5卷积核切分是否合适，遍历了几种不同尺寸卷积核，发现5x5s3与6x6s5效果都很好：
- 3×3,step3,valid: 验证集Accuracy=0.827,二分类F1=0.938
- 4×4,step3,valid: 验证集Accuracy=0.875,二分类F1=0.957
- 5×5,step3,valid: 验证集Accuracy=0.868,二分类F1=0.959
- 6×6,step3,valid: 验证集Accuracy=0.861,二分类F1=0.957
- 6×6,step5,valid: 验证集Accuracy=0.874,二分类F1=0.959
主线 [task16] PCB思想改进
使用PCB思想网络关注的区域变小，可能导致丢失某些全局信息，因此将PCB后的3×3特征图压成1×9的形式，再拼接一个全局均值池化，输出10×2014之后接一维卷积核同上。各项指标无明显变化。
线上结果：召回率约0.886，精确率约0.103
为训练集增加4400张来自视频渠道的新图片，验证集增加1600张，重新训练网络，验证集Accuracy=0.894，二分类精确率 Precision=0.941，召回率 recall=0.963
线上结果：召回率约0.978，精确率约0.117
可以看出补充的数据集有效提高了模型的拟合能力，但可以看出精确率提高缓慢，为了达到要求，需要极大强化网络的性能。
主线 [task26] 更合适的结构
经过了多次失败的尝试，我发现之前的设计中Loss目标和部署时会有略微不同，所以重新修改了网络结构和损失函数。网络结构使用Resnet50[/latex]gt;Conv1024[/latex]gt;conv256[/latex]gt;conv6+conv2，最后一层输出6+2的分类结果，其中6代表6分类，2代表惊悚类和正常类。损失函数使用focalloss(sigmoid(6分类))+α*softmax(2分类)，其中α=2。验证集Accurecy=0.912，二分类p=0.967,r=0.955,f1=0.96。
而此时再使用PCB，结果则有不同程度的下降…（嗯..先前的很多结论都被推翻了…）
将图片经过conv256层后的结果可视化后，发现在训练集上网络能将正常图片和惊悚图片明显区分开，并有较大类间距；而在验证集、测试集上，两种类型图片会有混杂。如下图是其中随机的8维结果，x坐标为偶数的是训练集，奇数的是测试集，蓝色是正常图片，红黄紫等颜色是五类惊悚图片。
支线6 尝试其它骨干网络
使用Resnet101网络，验证集Accuracy=0.8298，二分类F1=0.94
使用Resnet101（使用Place365预训练模型）网络，验证集Accuracy=0.89
使用ResNeXt网络
使用Densenet121网络，验证集Accuracy=0.58
使用Densenet169网络，验证集Accuracy=0.78
引入Deformate Conv，无明显效果
主线 弱监督方式
因已离职，不再详述，通过弱监督方式补充大批
量数据参与训练，能较有效的提高精确率，但在后期仍需要迭代模型。
