雷鋒網 AI 科技評論按：本文為亞利桑那州立大學在讀計算機博士生周耀的獨家投稿，他給大家介紹了一個基于機器教學為基礎的自適應交互型眾包教學框架——JEDI ，它假設每個 learner 都有指數型的記憶遺忘曲線，并且能夠保證教學的有效性，多樣性，以及教學樣本的質量。作者的原論文入選了今年的 KDD 會議。以下為投稿全文。

在很多機器學習的問題中，一個模型的表現往往取決于標注數據集的數據規(guī)模和標注質量。很多的監(jiān)督式機器學習（supervised learning）模型，尤其是深度學習，都需要大量的標注數據來進行模型訓練。比如說，ImageNet 是一個廣為人知的用于計算機視覺領域的圖像識別，物體檢測，物體定位的數據集，里面包含了 1400 萬張有人工標注和分類的圖片。然而，很多的研究者都比較關注如何能夠有效的使用這些數據進行模型設計和改良，卻只有比較少的研究在跟進如何更有效的獲得這些高質量的大規(guī)模標注數據。目前互聯(lián)網存在的，人為標注的大規(guī)模數據集通常都會使用眾包（crowdsourcing）技術來進行標注。

圖 1：深度學習和 ImageNet

相比較于外包數據集給專業(yè)公司做標注，眾包標注的優(yōu)勢有以下幾點：

1.  價格低廉。很多非職業(yè)的標注者（worker）愿意以較低的報酬在一些平臺上，比如說 AMT（Amazon Mechanical Turk），幫助科研工作者或者公司來標注數據。

2. 標注周期短。因為對于標注質量的要求并不是很嚴格，放置在眾包平臺的數據往往可以在短期內得到標注。

3. 標注數量大。在眾包的標注平臺上，一般每個數據（item）都會得到多個標注者的標注，因此每一個數據都會得到大量的冗余標簽。

 圖 2：眾包標注的平臺

圖 2 和圖 3 是一個典型的眾包標注的例子：目標是讓 worker 把圖片的類型標注為兩類：馴化的貓，野生的貓。如果 AMT 給出了圖 2 中的 item，大多數的 worker 都可以很容易的給出正確的標簽。

圖 3：眾包平臺的標注者標注一個簡單的家貓圖片

然而，很多時候，圖片標注也需要一些專業(yè)知識。圖 4 中的貓，對與一些 worker 來講，就不是很好辨別這只貓是馴化過的還是野生的。比如說，和動物打交道比較多的 worker 就可以相對容易的解決這個標注問題，但是一個不太有經驗的小女孩就可能給出錯誤的標簽。因此，對于一個特定的標注問題，worker 和 worker 之間有著標注能力的差異，這種差異也會在標注的時候在他們給出的標簽上體現出來。這種差異往往會對眾包標簽融合的算法帶來一些挑戰(zhàn)。

 

圖 4：眾包平臺的標注者標注一個比較難的家貓圖片

目前，比較成熟的眾包標簽融合的算法主要有兩類方法：

1. 第一類方法主要是用收集的眾包標簽對 worker 的標注能力進行估計，然后在標簽融合的過程中加大優(yōu)秀 worker 的權重并且降低較差 worker 的權重。

2. 第二類方法一般是通過設計更好的激勵機制（incentive mechanism）來引導 worker 提供更優(yōu)質的 label。

然而，現在常用的方法都忽略了一個很重要的事實，那就是：相比于機器，人類是非常擅長學習一個新的概念（concept），而且可以很容易的將所學的概念很好的泛化并且轉移到相似的問題中。圖 5 中，人類可以通過看一些插畫展示從而學會如何正確標注家貓和野貓的圖片。因此，一個更有效的使用眾包標注的方式其實應該是在監(jiān)督 worker 標注的同時對他們進行教學（teach）。

圖 5：人類的學習和泛化遷移能力

基于機器教學的眾包教學框架——JEDI

為了充分利用 worker 的學習能力，我們提出了一個基于機器教學（machine teaching）的眾包教學框架 JEDI。首先，我們會先介紹什么是機器教學？機器教學其實是機器學習的反過程。如圖 6 所示，如果給予一個數據集和一個算法（e.g. SVM, Logistic Regression），機器學習的目標是在模型空間（model space）里學習一個概念（concept）。然后，對于機器教學，目標概念（target concept）和算法是已知的，最終的目標是找到最優(yōu)的數據集。關于數據集最優(yōu)的定義可以很多元化，e.g. 數據集規(guī)模最小，學習速度最快，等等。

 

圖 6：機器學習和機器教學

我們提出的 JEDI 眾包教學實際上是 adJustable Exponentially Decayed memory Interactive Crowd Teaching 的縮寫，JEDI 的特點是：

1. 自適應教學，每個 worker/learner 的教學過程都是不同的。

2. 記憶遺忘，每個 worker/learner 都會在學習的過程中逐漸遺忘過往所學。

3. 指數衰減，記憶遺忘的曲線是呈指數衰減的。

4. 交互教學，worker/learner 和 teacher 是有多次交互的。

關與交互教學，圖 7 是一個簡單的例子：

 

圖 7：交互式教學

如圖 8 所示，JEDI 的每一輪教學（這里假設是第 t 輪）包括以下三個步驟：

1. Teacher 估計 learner 的學習進度，根據 learner 之前的標注反饋得到上一次的學習概念，然后 teacher 向 learner 推薦一個新的樣本進行教學。

2. Teacher 向 learner 展示教學樣本（隱藏樣本真實標簽），要求 learner 提供他自己對當前樣本的標注標簽。

3. Teacher 展示樣本真實標簽，learner 辨識樣本真實標簽，并結合樣本本身進行概念學習。

 

圖 8：JEDI 的交互式教學示意圖

學生（learner）模型：

- 每一個 learner 的學習過程都假設遵循梯度下降的規(guī)律：

- 我們進一步假設每一個 learner 對于學過的 concepts 的可收回度（retrievability）呈指數型遞減：

老師（teacher）模型：

- Teacher 的目標是通過教學減少 learner 學到的當前概念（current concept）和目標概念之間的差異，所以教學的目標方程是：

 

- 這個目標方程可以被分解，具體細節(jié)請參考論文：

 - 如果我們將預測錯誤的概率簡寫為如下表達，總體的教學目標可以進一步簡化為：

 

JEDI 模型的具體運作

JEDI 模型理解：

- 教學有效性（usefulness）和教學多樣性（diversity）的平衡（tradeoff）：JEDI 的目標函數經過簡化，優(yōu)化問題的目標函數會包括有效性和多樣性兩部分組成。直觀的來講，這個平衡意味著 JEDI 可以通過最大化下一個教學樣本的有效性和最大化教學樣本之間的多樣性從而引導 learner 向著目標概念的方向學習。

圖 9：教學有效性和多樣性的平衡

- 探索（exploration）和利用（exploitation）的選擇：如圖 10 所示，如果 teacher 選擇的下一個教學樣本 xt 和上一個教學樣本 xt-1 有標簽相同，我們稱之為利用（exploitation）；如果 teacher 選擇的下一個教學樣本 xt 和上一個教學樣本 xt-1 有標簽不同，我們稱之為探索（exploration）。

圖 10：教學中的探索和利用

- 教學樣本的質量：如果上一個教學樣本 xt-1 是一個有效性（usefulness）比較低的樣本，JEDI 眾包教學可以保證下一個教學樣本 xt 具有以下特性：

•  在 exploitation 的教學場景下，teacher 會推薦跟 xt-1 特征非常不同的教學樣本 xt。因為 xt-1 的有效性比較低，同一個類型（class）的但是特征（feature）非常不同的樣本可能會有比較高的教學有效性。

• 在 exploration 的教學場景下，teacher 會會推薦跟 xt-1 特征非常接近的教學樣本 xt。因為不同類型（class）的但是特征（feature）非常接近的樣本可能會有比較有代表性，從而有較高的教學有效性。

圖 11：JEDI 教學的教學樣本

真實場景的教學：

- JEDI 教學在現實場景中是無法直接估計 learner 學到的當前概念 wt 的，因此我們在 JEDI 里使用原目標函數的下限來解決這個優(yōu)化問題：

 

- JEDI 教學也需要樣本的預測為正類的概率和預測為負類的概率作為輸入，這兩個參量也不是直接給予的，我們使用 harmonic function 來對他們進行估計：

總結：

JEDI 是一個基于機器教學為基礎的自適應交互型眾包教學框架，它假設每個 learner 都有指數型的記憶遺忘曲線，并且能夠保證教學的有效性，多樣性，以及教學樣本的質量。

具體信息請參考我們的論文：

http://www.public.asu.edu/~yzhou174/ 

源代碼：

https://github.com/collwe/JEDI-Crowd-Teaching 

demo 展示：

http://198.11.228.162:9000/memory/index/ 

視頻講解：

https://www.youtube.com/watch?v=345o0QazwO8&t=4s 

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