Humpback whale identification challenge（通称クジラコンペ）反省会

Kaggle Humpback whale identification challenge（通称クジラコンペ）の概要、主要カーネルの説明、Topソリューションの解説です

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1. 鯨コンペ反省会 あるいは1週間チャレンジ @yu4u
2. やるやる詐欺① 1
3. やるやる詐欺② 2
4. team merger deadline (2/21) に初サブ 3 • いきなり独⾃モデル初サブで死亡 • 元々前職の知り合いとやろうという話を していたのでミジンコなのにマージしてもらう
5. 4 • 最近の距離学習はクラス分類として 学習できるらしいことを聞く • 速攻ArcFaceベースの⼿法でやってみると まともな精度が出た︕ • ↓読みましょう モダンな深層距離学習 (deep metric learning) ⼿法: SphereFace, CosFace, ArcFace https://qiita.com/yu4u/items/078054dfb5592cbb80cc
6. 本題
7. Summary 6 • 上位それぞれがかなり異なる⼿法で解いている • 各⼿法⾃体がシンプル、1モデルでも⾼い精度が出せる • 異なるモデルのアンサンブルも有効 という、かなり良コンペだったのではないか
8. 鯨コンペ概要 7 • train/test: 🐳ちゃんの可愛いしっぽ画像 – ある程度align, cropされている • trainの各画像には、whale_idがついている • whale_idには識別されていない “new_whale” が存在 • 各test画像に対し、正解のwhale_idを当てる問題 • 精度指標はMAP@5, “new_whale” が正解となる🐳ちゃんが30%弱 train test
9. 鯨コンペ概要 8 • train/test: 🐳ちゃんの可愛いしっぽ画像 – ある程度align, cropされている • trainの各画像には、whale_idがついている • whale_idには識別されていない “new_whale” が存在 • 各test画像に対し、正解のwhale_idを当てる問題 • 精度指標はMAP@5, “new_whale” が正解となる🐳ちゃんが30%弱 train train: 25361 (unique id: 5004) new_whale 9664 w_23a388d 73 w_9b5109b 65 w_9c506f6 62 … test: 7960
10. 罠 9 • new_whaleにもwhale_idが振られている🐳画像がある • 同じ🐳だが異なるwhale_idが振られているものがある（いっぱい）
11. 鯨コンペ概要 10 • タスク – 問題としては顔認識と同じ – 実はGoogle Landmark Recognition Challengeとも同じ • 考えられる解法 – 距離学習（顔認識デファクト、landmark challengeで使われた） – クラス分類として解く（new_whaleが課題） – 局所特徴マッチングで解く（landmark challengeで使われた） 実際はどうだったのか︖
12. 神kernel① 11 • 🐳ちゃんしっぽdetector • 顔認識においては、必ず顔検出が前処理として⼊る • どのアプローチでも必ず効果がある https://www.kaggle.com/martinpiotte/bounding-box-model Maskカーネルもあるよ https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/78453
13. 神kernel② 12 https://www.kaggle.com/seesee/siamese-pretrained-0-822
14. 神kernel② 13 • みんなSiameseNet, SiameseNet⾔うようになったkernel • SiameseNetは通常contrastive lossを⽤いて距離学習を⾏う – 学習が⼤変、不安定 • このkernelのSiameseNetは画像を2枚⼊⼒し それらが同⼀の🐳かどうかを出⼒する – クラス分類なので学習が簡単 – 精度も恐らくこちらのほうが⾼い CNN CNN d2 weight share 特徴ベクトル 🐳 🐳 CNN CNN weight share 🐳 🐳 contrastive loss x1 x2 x1 +x2 x1 *x2 |x1 -x2 | |x1 -x2 |2 全てpairwise の演算 CNN 0~1 binary crossentropy 通常のSiameseNet +contrastive loss Kernelの SiameseNet f(x1 , x2 ) = f(x2 , x1 ) となる設計 https://www.kaggle.com/seesee/siamese-pretrained-0-822
15. 神kernel② 14 • みんなSiameseNet, SiameseNet⾔うようになったkernel • SiameseNetは通常contrastive lossを⽤いて距離学習を⾏う – 学習が⼤変、不安定 • このkernelのSiameseNetは画像を2枚⼊⼒し それらが同⼀の🐳かどうかを出⼒する – クラス分類なので学習が簡単 – 精度も恐らくこちらのほうが⾼い CNN CNN d2 weight share 特徴ベクトル 🐳 🐳 CNN CNN weight share 🐳 🐳 contrastive loss x1 x2 x1 +x2 x1 *x2 |x1 -x2 | |x1 -x2 |2 全てpairwise の演算 CNN 0~1 binary crossentropy 通常のSiameseNet +contrastive loss Kernelの SiameseNet f(x1 , x2 ) = f(x2 , x1 ) となる設計 特徴抽出ネットワーク 分類ネットワーク https://www.kaggle.com/seesee/siamese-pretrained-0-822
16. 神Kernel②の訓練 15 1. train🐳から特徴抽出 – 特徴抽出NWをforward 2. positive pair抽出 3. negative pair抽出 a. 全🐳特徴ベクトル間のスコア(*-1)を計算しcost matrixとする （分類NWをforward。画像数 C2 。分類NWは軽いので可能） b. cost matrixの同じ🐳の部分を無限⼤に。対⾓も c. cost matrixに対しlinear assignment problem (LAP)を解いて costの⼩さいペアリストを取得 ＝違う🐳なのにスコアが⾼い組み合わせを作る 使ったペアはコスト無限⼤に。5epoch使い回す 4. pos, negペアをネットワーク全体で学習 同⼀🐳内画像で 同⼀画像がペアに ならないようにする 最初はcost matrix に乱数を加えて⼿ ⼼を加える
17. 神Kernel②の訓練 16 1. train🐳から特徴抽出 – 特徴抽出NWをforward 2. positive pair抽出 3. negative pair抽出 a. 全🐳特徴ベクトル間のスコア(*-1)を計算しcost matrixとする （分類NWをforward。画像数 C2 。分類NWは軽いので可能） b. cost matrixの同じ🐳の部分を無限⼤に。対⾓も c. cost matrixに対しlinear assignment problem (LAP)を解いて costの⼩さいペアリストを取得 ＝違う🐳なのにスコアが⾼い組み合わせを作る 使ったペアはコスト無限⼤に。5epoch使い回す 4. pos, negペアをネットワーク全体で学習 同⼀🐳内画像で 同⼀画像がペアに ならないようにする こんなんだと重すぎて無理 CNN 🐳 🐳 0~1 最初はcost matrix に乱数を加えて⼿ ⼼を加える
18. 神Kernel②の推論 17 1. train🐳から特徴抽出（特徴抽出NWをforward） 2. test🐳から特徴抽出（特徴抽出NWをforward） 3. test🐳 vs. train🐳のスコアを算出（分類NWをforward） 4. for each test🐳: スコア順にtrain🐳の🐳IDを正解に加える 但し、スコアがしきい値以下の場合、 正解にnew_whaleがなければnew_whaleを加える whale_id毎のmeanのほうが良いかも
19. 1st Solution 18 • 5004クラスをflipして10008クラスしてそれぞれbinary classification 🐳 global average pooling channel⽅向に pooling BCE+ lovasz_loss 512x256 BBOX RGB+mask https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/82366 test時はflipも⼊⼒して 平均を取る （対応するクラスが 分かっている） https://github.com/earhian/Humpback-Whale-Identification-1st-
20. 3rd Solution 19 • Train original bbox regressor (5 fold CV and trained 5 models) • 320x320 input, DenseNet121 + ArcFace (s=65, m=0.5), weight decay 0.0005, dropout 0.5 • Augmentation: average blur, motion blur; add, multiply, grayscale; scale, translate, shear, rotate; align (single bbox) or no-align • Inference – train: 各🐳毎に5 BBOXを利⽤して特徴ベクトルを出す 🐳ID毎に更に平均 – test: 各🐳毎に5 BBOXを利⽤して特徴ベクトルを出す↑と⽐較 https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/82484
21. 未練 20
22. 4th Solution 21 • SIFT+RANSACで全ペアbrute force! 1. Loop through all test/train pairs 2. Match keypoints using faiss 3. Double homography filtering of keypoints (LMedS followed by RANSAC) 4. xgboost prediction to validate homography matrix 5. if # of matches > threshold, then use prediction • Top-1の結果を↑で算出し、top-2 ~ 5をSiameseNetで算出 https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/82356 Landmark コンペでやってた フル解像度の🐳 CLAHE (Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization) で正規化 UNetでしっぽセグメンテーション
23. 5th Solution 22 • SiameseNet (DenseNet121 backbone) • Original BBOX regressor • Augmentation: shear, rotation, flipping, contrast, Gaussian noise, blurring, color augmentations, greying, random crops • LAPをサブブロックで⾏う。サブブロックは毎回ランダムに⽣成 • 4-fold stratified cross validation + 15-model ensemble • pseudo label -> update folds (e.g. LB 0.938 -> LB 0.950 -> LB 0.965, etc.) • Stacking（そこまで効果なし） https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/82352 https://weiminwang.blog/2019/03/01/whale-identification-5th-place-approach- using-siamese-networks-with-adversarial-training/ 半分くらいベースにした カーネルの説明
24. 7th Solution 23 • SE-ResNeXt-50 -> global concat (max, avg) pool -> BN -> Dropout -> Linear -> ReLU -> BN -> Dropout -> clf (5004) • 4 head classification • use bbox • center loss, ring loss, GeM pooling • verification by local features (Hessian-AffNet + HardNet) https://github.com/ducha-aiki/mods-light-zmq • バックボーンは、⾊々試したが、チームメイトの距離学習を⾏った ネットワーク（SE-ResNeXt-50）をfinetuneするのが良かった • new_whale is inserted to softmaxed predictions with constant threshold, which is set on validation set by bruteforce search in range from 0 to 0.95. https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/82352 https://github.com/ducha-aiki/whale-identification-2018 距離学習のようなことをしているのでsoftmax閾値でもいけた︖
25. 7th Solution 24 https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/82352
26. 7th Solution 25 • 距離学習ベースのアプローチ – training on RGB images: 256x256, 384x384, 448x448, 360x720 – Augmentations: random erasing, affine transformations (scale, translation, shear), brightness/contrast – Models: resnet34, resnet50, resnet101, densenet121, densenet162, seresnext50 ̶ backbone architectures that weʼve tried, followed by GeM pooling layer +L2 + multiplier – Loss: hard triplet loss • 実際のサブミッションには利⽤されず、クラス分類ベースの⼿法の ベースネットワークとして利⽤された https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/82502
27. 9th Solution 26 • Summary: Adam, Cosine with restarts, CosFace, ArcFace, High- resolution images, Weighted sampling, new_whale distillation, Pseudo labeled test, Resnet34, BNInception, Densenet121, AutoAugment, CoordConv, GAPNet • 1024x1024 resnet34, 512x152 BNInception, 640x640 DenseNet121 • CosFace: s=32, m=0.35. ArcFace: m1=1.0, m2=0.4, m3=0.15 • Augumentation: Horizontal Flip, Rotate with 16 degree limit, ShiftScaleRotate with 16 degree limit, RandomBrightnessContrast, RandomGamma, Blur, Perspective transform: tile left, right and corner, Shear, MotionBlur, GridDistortion, ElasticTransform, Cutout https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/82427 CosFace + ArcFace
28. 10th Solution 27 （SiameseNet part） • Summary – Siamese architecture – Metric learning featuring brand-new CVPR 2019 method (will be published soon) – Classification on features – Large blend for new whale/not new whale binary classification • Tricks – Flip augmentation for both positive and negative pairs – ResNet-18, ResNet-34, SE-ResNeXt-50, ResNet-50, image size: 299->384->512 – 0.929 LB -> ensemble 0.940 https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/82430
29. 10th Solution 28 （Metric learning part）Another solution will be explained later in detail by @asanakoy. In two words, it is metric learning with multiple branches and margin loss, trained on multiple resolution crops using bboxes, grayscale and RGB input images. He also used his brand-new method from CVPR which allowed for 1-2% score boost. らしい （Classification part）concat features from branch models and train classifcation model （Post processing）took their TOP-4 predictions for each whale. Then, for all of our models, we took their predictions on these set of classes. We used a blend of LogReg, SVM, several KNN models, and LightGBM to solve a binary classification problem. https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/82430
30. 15th Solution 29 • At the beginning, we using pure softmax to classification 5005 class. The best result we obtain is around 0.86X using seresnext50. • Then we resort to sphereface. To use sphereface, we abandon new whales, which means we only use around 19K images. This gives us 0.920 using seresnext-50 (multi-layer fusion, 384384), 0.919 using resnext50 (multi-layer fusion,384384). • We also tried arcface, which gives us 0.911 using seresnext-50 (multi-layer fusion, 384*384). https://www.kaggle.com/c/humpback-whale-identification/discussion/82361
31. My Solution① 30 • 768x256🐳(BBOX), resnext101_32x4d backbone, ArcFace • known🐳のみ、訓練時はduplicate🐳IDを1つにまとめる • 10枚以下の画像の🐳は10枚以上になるようにover sampling • Augmentation: grayscale, Gaussian noise, Gaussian blur, rotation, shear, piecewise affine, color shift, contrast, crop • train🐳 vs. test🐳のcos類似度を同⼀IDに対して平均 768x256 24x8 6x2 24576 bn, avepool(4) flatten, dropout 512 FC 5004 FC ArcFace cross entropy ResNeXt101 Feature vector private LB: 0.92239 public LB: 0.91156 NO VALIDATION SET ;D due to time constraint
32. My Solution② 31 • Ensemble with 512x512 SiameseNet model • test画像 vs. train画像のmatrixをtest画像 vs. 🐳IDのmatrixにする • TTA: bounding boxのスケールをオリジナル＋2スケール利⽤ 768x256 ArcFace 512x512 SiameseNet 5004 7960 768x256 ArcFace 𝑃 = # !"# #$ 𝑤! 𝑃! % 𝑃# 𝑃$ 𝑃& 𝑃#' 𝑃## 𝑃#$ 𝑃 𝛼は0~1 0に近づくとvotingぽくなる 1は普通のweighted average 個人的にはとりあえず0.5にする test🐳画像 train🐳”ID” 閾値で切って new_whaleを差し込み submissionファイル化 個々の値は 0~1 private: 0.92239 public: 0.91156 512x512 ArcFace private: 0.92981 publoc: 0.91558 private: 0.90242 public: 0.88183 private: 0.89706 public: 0.86712 … 基本閾値 未tuning
33. Milestones 32 • 2/21: 独⾃モデルミジンコ初サブ • 2/22: ArcFaceを知る • 2/24: 448x448 model 0.786 • 2/26: 768x256 model 0.879 • 2/27: 768x256 model 0.887 • 2/28: 768x256 model 0.910 • 2/28ド深夜: 3モデル完成、アンサンブル実装 private: 0.95448, public: 0.94632 • 超能⼒ハイパラ調整により3subでアンサンブルガチャに勝利 • スコアベースアンサンブル、全く違うモデルのアンサンブル