對比學習實戰：用SimSiam模型挑戰FashionMNIST數據集

深度學習領域中，對比學習（Contrastive Learning）近年來受到越來越多關注。它能夠在無標籤數據上學習到有效的特徵表示，為下游任務提供強大支持。本文將以FashionMNIST數據集為例，介紹如何實現一個基於SimSiam的對比學習模型，並與傳統監督學習方法進行對比。

首先來看FashionMNIST數據集。這是一個包含10類服飾圖像的數據集，每類6000張訓練圖像和1000張測試圖像，共70000張28x28的灰度圖。相比MNIST手寫數字，FashionMNIST更接近實際應用場景，難度也更高。

在實驗中，我們設置了兩種場景:

1. 使用全部60000張訓練圖像進行監督學習

2. 只使用1000張有標籤圖像進行監督學習

對於第一種場景，我們構建了一個簡單的CNN分類器，包含3層卷積和2層全連接層。經過10輪訓練，在測試集上達到了87%的準確率。這個結果還不錯，但仍有提升空間。

更具挑戰性的是第二種場景。當我們將訓練數據縮減到僅1000張時，即使增加到100輪訓練，準確率也只有61%左右，相比全量數據下降了26個百分點。這凸顯了在標籤稀缺情況下，傳統監督學習的局限性。

此時，對比學習就能發揮優勢。我們選擇了SimSiam這一簡潔有效的對比學習方法。相比需要大batch size的SimCLR，SimSiam採用了孿生網絡結構，無需負樣本，也不需要特別大的batch。

SimSiam的核心思想是:對同一圖像施加兩次不同的數據增強，得到兩個視圖。這兩個視圖分別通過編碼器和預測器，最終計算它們表示的餘弦相似度作為損失。通過最小化這個損失，模型學會將同一圖像的不同視圖映射到相近的特徵空間。

實現SimSiam時，我們沿用了之前CNN分類器的backbone，只是將最後的全連接分類層替換為一個預測MLP。訓練時使用了隨機數據增強，包括隨機裁剪、水平翻轉等。優化器選用SGD，學習率0.0001，momentum 0.9。

經過100輪訓練後，我們凍結backbone，只在1000張有標籤數據上微調最後一層分類器。測試結果顯示，準確率達到了76%，比直接監督學習提高了15個百分點。這充分證明了對比學習在特徵提取方面的優勢。

深入分析發現，SimSiam學到的特徵具有更好的判別性和泛化性。通過t-SNE可視化發現，不同類別的樣本在特徵空間中形成了清晰的聚類。這說明即使沒有標籤信息，模型也學會了將相似圖像映射到相近的特徵表示。

當然，SimSiam也存在一些局限性。例如，它對超參數比較敏感，特別是學習率和MLP結構的選擇。此外，由於缺少負樣本，模型可能會出現表示坍塌的問題。在實踐中，可以考慮引入動量編碼器（如MoCo v3）來提升穩定性。

總的來說，對比學習為解決標籤稀缺問題提供了一種有效途徑。通過無監督預訓練+少量標籤微調的範式，可以顯著提升模型性能。未來，隨著更多創新算法的出現，對比學習必將在計算機視覺、自然語言處理等多個領域發揮重要作用。

對於讀者而言，建議可以從以下幾個方面深入探索對比學習:

1. 嘗試其他對比學習算法，如SimCLR、MoCo等，比較它們的優劣

2. 在更複雜的數據集上驗證對比學習的效果，如ImageNet

3. 將對比學習與其他自監督方法(如掩碼自編碼器)結合

4. 探索對比學習在下游任務如目標檢測、語義分割等方面的應用

對比學習仍是一個充滿活力的研究方向，相信未來會有更多突破性進展。讀者們不妨多加關注，並在實際項目中嘗試應用這一強大工具。