生成AIを用いてContrastive Learningの論文「A Survey on Contrastive Self-supervised Learning (2020)」を読んでみた

#   はじめに

生成AIを用いてContrastive Learningの論文「A Survey on Contrastive Self-supervised Learning (2020)」の内容を(なるべく)把握してみました。(生成AIが)論文の記載内容を始めから最後まで読んで、実際にどのような記載があるのかを把握します。

(論文の分かりやすい解説記事は見るのですが、実際の論文までチェックしないので、生成AIを使って内容を把握してみました。)

コントラスト学習は、Mikolovら[78]が2013年に初めてNLPに導入し、語の共起関係を用いた学習とネガティブサンプリング[79]を利用して単語埋め込みを効率的に学習する手法であったことが分かりました。
また、使用されるコントラスト損失InfoNCEは、分類問題で用いるクロスエントロピー(softmax & -logP)とほとんど同じ形であることが分かりました。
(その他、[末尾の「分かったこと」章を参照](#分かったこと))

以降で、ChatGPTに聞いてみた例を記載します。

##   他例: 同類の方法を使って読んでみた結果

https://qiita.com/dl_from_scratch/items/910727ec6bb49dc98b5d

https://qiita.com/dl_from_scratch/items/926e1ea330a994b1491f

https://qiita.com/dl_from_scratch/items/51eba3730c53403c4fd0

##   対象の論文

論文: (Contrastive Learningに関する論文)

[2011.00362] A Survey on Contrastive Self-supervised Learning
https://arxiv.org/abs/2011.00362
(PDF: https://arxiv.org/pdf/2011.00362)

##   質問時の各章節の区切り部分

論文の中にある各章節を、下記のように区切って、部分毎に生成AIに内容を質問していきます。

* ABSTRACT
* \---
* 1 Introduction
* \---
* 2 Pretext Tasks
*  2.1 Color Transformation
* \---
* 2.3 Context-Based
*  2.3.1 Jigsaw puzzle
*  2.3.2 Frame order based
*  2.3.3 Future prediction
* \---
* 2.4 View Prediction (Cross modal-based)
*  2.5 Identifying the right pre-text task
* \---
* 2.6 Pre-text tasks in NLP
*  2.6.1 Center and Neighbor Word Prediction
*  2.6.2 Next and Neighbor Sentence Prediction
*  2.6.3 Auto-regressive Language Modeling
*  2.6.4 Sentence Permutation
* \---
* 3 Architectures
* \---
* 3.1 End-to-End Learning
* \---
* 3.2 Using a Memory Bank
* \---
* 3.3 Using a Momentum Encoder
* \---
* 3.4 Clustering Feature Representations
* \---
* 4 Encoders
* \---
* 5 Training
* \---
* 6 Downstream Tasks
*  6.1 Visualizing Kernels and Feature Maps
*  6.2 Nearest Neighbor retrieval
* \---
* 7 Benchmarks
* \---
* 8 Contrastive Learning in NLP
* \---
* 9 Discussions and Future Directions
* \---
* 10 Conclusion

##   生成AIへの質問方法

生成AIを活用して、知りたい記事・論文の1節分(適度な長さ)のテキストをコピー＆ペーストして、その下に**質問内容を「①～ ②～ …」と番号付きで書いて**、生成AIに渡せば、全質問に一発で的確に回答してくれるので、非常に良好でした。記事全体を読む必要なく、知りたい点の情報だけを収集できます。

**生成AIへの質問例:**
```
(論文・記事の各章節を貼り付け)

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
```

```
続けて下記の質問に追加で回答下さい:
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑦上記⑥以外で表に出来そうな部分があれば表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば記載)
⑧具体的な数値の記載を全て列挙して、表にまとめて下さい。(必ず正しく数値を抜き取る事、|数値|説明|の表へ)
⑨具体的な変数名(数式用の記号)の記載を全て列挙して、表にまとめて下さい。(|変数名|説明|次元・型|の表へ)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
```
※回答が長くなりそうな場合は、適宜、分けて質問: ①②③④⑤、⑥⑦⑧⑨⑩
※各章節に応じて、その章節内で明らかに不要な質問は、適宜除外。

※各章節に応じて、適宜下記の質問を追加。
```
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)
⑫難解用語を全て列挙して、表にまとめて下さい。(必ず正しく抜き取る事、|用語|説明|の表へ)
```
※その他、不明点があれば、適宜、ピンポイントで質問。

質問内容は、記事・論文を読んでいて**いつも知りたいと思う点**(**改良点・工夫点・テクニック・メカニズムの解明**)にしています。また、表で比較した方が素早く把握できるので、可能であれば**記事を表に変換する**ようにしています。

論文・記事を貼り付けるテキストの長さは、**1節分程度の量に**とどめた方が、良い回答が得られました。生成AIの回答の文量が多くなってくると、回答が長くなり過ぎないように、生成AIが勝手に(適度に)端折り始めてしまい、重要な点が回答から抜けてしまう可能性が高くなります。

##   事前知識

機械学習についてある程度知っていないと、生成AIに質問しても、その回答内容だけでは理解できないと思います。生成AIの回答は、論文の内容をあまり変えずに、要点をそのまま掻い摘んで回答するような形になっています。

Contrastive Learningについての分かりやすい解説記事(下記)等を事前にチェックして、中核部分の内容をあらかじめ分かっていると、理解しやすいと思います。生成AIは実際の細かい処理方法自体を分かりやすく説明してはくれない傾向があります。

https://qiita.com/omiita/items/a7429ec42e4eef4b6a4d

##   注意点

論文のテキスト内容だけを貼り付けて、生成AIに質問しています。論文の中の図・表の部分は貼り付けていません。図・表の内容は生成AIの回答には含まれず、別途論文を見る必要があります。

以降で、生成AIの回答内容が読みにくい・分かりづらい場合は、論文の本文でも同じように書かれてあり、論文の本文を読んでも同じように分かりづらいことが多くあります。論文では、既存研究等があるため、多くの説明を省略・一言だけサラッと書かれてある等、同種の研究に取り組む人でなければ、なかなか全容の理解に辿りつくのは難しい側面があります。この点は、生成AIの回答性能が悪いのではなく、論文という性質上、生じるものと考えています。


#   生成AIに質問

以降で、ChatGPTに実際に聞いてみた例を記載します。

##   生成AIへの質問＆回答の全容

生成AIへの質問＆回答の全容・詳細:

https://chatgpt.com/share/6705ece0-314c-800d-b284-623e366b2037

##   ABSTRACT

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
ABSTRACT
Self-supervised learning has gained popularity because of its ability to avoid the cost of annotating
large-scale datasets. It is capable of adopting self-defined pseudo labels as supervision and use the
learned representations for several downstream tasks. Specifically, contrastive learning has recently
become a dominant component in self-supervised learning methods for computer vision, natural
language processing (NLP), and other domains. It aims at embedding augmented versions of the
same sample close to each other while trying to push away embeddings from different samples. This
paper provides an extensive review of self-supervised methods that follow the contrastive approach.
The work explains commonly used pretext tasks in a contrastive learning setup, followed by different
architectures that have been proposed so far. Next, we have a performance comparison of different
methods for multiple downstream tasks such as image classification, object detection, and action
recognition. Finally, we conclude with the limitations of the current methods and the need for further
techniques and future directions to make substantial progress.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**①何についての記載か? + 要旨は何?**

この部分では、自己教師あり学習（Self-supervised learning）に関する研究の要点を述べている。特に、コントラスト学習を中心とした自己教師あり学習手法に焦点を当てており、その仕組みや応用例を説明している。

- 自己教師あり学習は、大規模データセットにラベル付けするコストを回避する手法である。
- コントラスト学習は、視覚、自然言語処理（NLP）など多様な分野で主流な自己教師あり学習手法である。
- コントラスト学習は、同じサンプルの増強バージョンを近接した埋め込みにし、異なるサンプル間の埋め込みを遠ざけることを目的としている。
- 本論文は、コントラスト学習に基づく自己教師あり学習手法の広範なレビューを提供している。
- コントラスト学習において一般的に使用される前処理タスクを説明している。
- 様々な提案されたアーキテクチャについても解説している。
- 複数の下流タスク（画像分類、物体検出、行動認識など）における異なる手法の性能比較を行っている。
- 最後に、現行手法の限界と今後の技術発展に向けた課題について述べている。

**②具体的な処理方法の記載**

- コントラスト学習の具体的な処理方法は、データサンプルを拡張し、同じサンプルから生成された増強バージョンを「正」のペアとして扱い、異なるサンプルを「負」のペアとして扱う。この手法は、増強されたサンプルのペアを近づけ、異なるサンプルのペアを遠ざけるために用いる。
- 一般的な手法としては、**SimCLR**（Chen et al., 2020）や**MoCo**（He et al., 2020）などがあり、それぞれ異なる増強方法や辞書ベースの手法を用いている。
- これらの手法は、通常、画像分類や物体検出などの下流タスクのために学習された表現を活用する。

**③改良点・工夫点・テクニック等の記載**

- コントラスト学習では、学習の安定性とパフォーマンス向上のためにデータ拡張手法やネガティブサンプルの選択が工夫されている。
- **MoCo**では、動的な辞書を使用して、より豊富なネガティブサンプルを提供する技術を導入しており、特に大規模データセットに対する対応力が強化されている。
- **SimCLR**では、大規模なバッチサイズと多様なデータ拡張を利用して、最適な埋め込みを実現するための工夫がなされている。
- その他、**BYOL**（Grill et al., 2020）のように、ネガティブサンプルを使わない自己蒸留型の学習アプローチもある。

**④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載**

- コントラスト学習において、同一サンプルの増強バージョンを近づけ、異なるサンプルを遠ざけることは、モデルが意味のある特徴を抽出し、類似したデータポイント間の共通性を捉えることを助ける。このメカニズムは、ラベルなしデータの効率的な表現学習を可能にしている。
- **MoCo**で導入されている辞書ベースのアプローチでは、大量のネガティブサンプルを動的に維持することで、埋め込み空間が過剰に近くなるのを防ぎ、より汎用的な特徴表現を学習できる。

**⑤性能が向上した記載**

- **SimCLR**は、大規模なバッチサイズを使用することで、従来の自己教師あり学習手法と比較して高い精度を達成している（例えば、ImageNetでの画像分類タスクにおいて）。
- **MoCo**は、辞書ベースのネガティブサンプル利用により、スケーラブルな学習を実現し、物体検出や画像分類などの下流タスクでの性能が向上している（具体値は本文中のTableで示されているが、ここでは省略）。
- **BYOL**は、ネガティブサンプルを使用しないにもかかわらず、コントラスト学習と同等の性能を示しており、特に行動認識などのタスクで優れた結果を出している。

##   1 Introduction

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
1 Introduction
The advancements in deep learning have elevated it to become one of the core components in most intelligent systems in
existence. The ability to learn rich patterns from the abundance of data available today has made deep neural networks
(DNNs) a compelling approach in the majority of computer vision (CV) tasks such as image classification, object
detection, image segmentation, activity recognition as well as natural language processing (NLP) tasks such as sentence
classification, language models, machine translation, etc. However, the supervised approach to learning features from
labeled data has almost reached its saturation due to intense labor required in manually annotating millions of data
samples. This is because most of the modern computer vision systems (that are supervised) try to learn some form of
image representations by finding a pattern between the data points and their respective annotations in large datasets.
Works such as GRAD-CAM [ 1 ] have proposed techniques that provide visual explanations for decisions made by a
model to make them more transparent and explainable.
Traditional supervised learning approaches heavily rely on the amount of annotated training data available. Even
though there’s a plethora of data available out there, the lack of annotations has pushed researchers to find alternative
approaches that can leverage them. This is where self-supervised methods plays a vital role in fueling the progress of
deep learning without the need for expensive annotations and learn feature representations where data itself provides
supervision.
Supervised learning not only depends on expensive annotations but also suffers from issues such as generalization
error, spurious correlations, and adversarial attacks [ 2]. Recently, self-supervised learning methods have integrated
both generative and contrastive approaches that have been able to utilize unlabeled data to learn the underlying
representations. A popular approach has been to propose various pretext tasks that help in learning features using
pseudo-labels. Tasks such as image-inpainting, colorizing greyscale images, jigsaw puzzles, super-resolution, video
frame prediction, audio-visual correspondence, etc have proven to be effective for learning good representations.
Generative models gained its popularity after the introduction of Generative Adversarial Networks (GANs) [3] in
2014. The work later became the foundation for many successful architectures such as CycleGAN [4], StyleGAN [5],
PixelRNN [6], Text2Image [7], DiscoGAN [ 8 ], etc. These methods inspired more researchers to switch to training deep
learning models with unlabeled data in an self-supervised setup. Despite their success, researchers started realizing
some of the complications in GAN-based approaches. They are harder to train because of two main reasons: (a)
non-convergence–the model parameters oscillate a lot and rarely converge, and (b) the discriminator gets too successful
that the generator network fails to create real-like fakes due to which the learning cannot be continued. Also, proper
synchronization is required between the generator and the discriminator that prevents the discriminator to converge and
the generator to diverge.
Unlike generative models, contrastive learning (CL) is a discriminative approach that aims at grouping similar samples
closer and diverse samples far from each other as shown in figure 1. To achieve this, a similarity metric is used to
measure how close two embeddings are. Especially, for computer vision tasks, a contrastive loss is evaluated based
on the feature representations of the images extracted from an encoder network. For instance, one sample from the
training dataset is taken and a transformed version of the sample is retrieved by applying appropriate data augmentation
techniques. During training referring to figure 2, the augmented version of the original sample is considered as a
positive sample, and the rest of the samples in the batch/dataset (depends on the method being used) are considered
negative samples. Next, the model is trained in a way that it learns to differentiate positive samples from the negative
ones. The differentiation is achieved with the help of some pretext task (explained in section 2). In doing so, the model
learns quality representations of the samples and is used later for transferring knowledge to downstream tasks. This
idea is advocated by an interesting experiment conducted by Epstein [ 9] in 2016, where he asked his students to draw a
dollar bill with and without looking at the bill. The results from the experiment show that the brain does not require
complete information of a visual piece to differentiate one object from the other. Instead, only a rough representation of
an image is enough to do so.
Most of the earlier works in this area combined some form of instance-level classification approach[10][ 11 ][12 ] with
contrastive learning and were successful to some extent. However, recent methods such as SwAV [ 13 ], MoCo [ 14 ], and
SimCLR [15 ] with modified approaches have produced results comparable to the state-of-the-art supervised method on
ImageNet [ 16 ] dataset as shown in figure 3. Similarly, PIRL [17], Selfie [18 ], and [19 ] are some papers that reflect the
effectiveness of the pretext tasks being used and how they boost the performance of their models.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**①何についての記載か? + 要旨は何?**

この部分では、深層学習の進展、特に自己教師あり学習に関連する手法について解説している。従来の教師あり学習が持つ制約や問題点を指摘し、自己教師あり学習の重要性を強調している。さらに、自己教師あり学習の一環として、生成モデルとコントラスト学習の比較が行われている。

- 深層学習が画像分類や物体検出、自然言語処理など多くのタスクで使用されているが、教師あり学習はラベル付けの労力が限界に達している。
- 自己教師あり学習はラベルなしデータを利用して有効な特徴表現を学習する手法であり、コントラスト学習と生成モデルに基づくアプローチが紹介されている。
- コントラスト学習は、同じサンプルの増強バージョンを近づけ、異なるサンプルを遠ざける手法である。
- 生成モデルは、Generative Adversarial Networks（GANs）の登場後に人気を博し、多くの成功したアーキテクチャを生み出したが、収束しにくいという問題が指摘されている。
- コントラスト学習は、生成モデルよりも学習が安定しやすく、類似したサンプルを近づけるための手法として広く使用されている。

**②具体的な処理方法の記載**

- 自己教師あり学習の具体的な処理として、コントラスト学習では、画像データを拡張し、その拡張バージョンを「正」のサンプルとして扱い、他の画像を「負」のサンプルとして扱う。具体的には、データセットから1つのサンプルを選び、適切なデータ拡張手法を適用して変換版（拡張サンプル）を作成する。
- 学習は、正のサンプル（元のサンプルとその拡張バージョン）と負のサンプル（他の画像サンプル）の間の類似度を比較し、モデルがこれらを区別できるように行われる。この際、特定の類似度メトリック（コサイン類似度など）を使用し、コントラスト損失を評価する。
- 例えば、**SimCLR**（Chen et al., 2020）は大規模なバッチサイズとデータ拡張を利用し、モデルが高品質な埋め込みを学習するようにする手法である。また、**MoCo**（He et al., 2020）は辞書ベースの手法を用いてネガティブサンプルを維持することで、より安定した学習を実現している。

**③改良点・工夫点・テクニック等の記載**

- 生成モデル（特にGANベースの手法）は、収束の問題やジェネレータとディスクリミネータの同期の難しさという課題がある。これに対し、コントラスト学習は、ネガティブサンプルを多く使用することで学習が安定しやすいという利点がある。
- **SwAV**（Caron et al., 2020）は、コントラスト損失を用いずにクラスタリングベースの手法で自己教師あり学習を実現している点で、従来のコントラスト学習手法と異なるアプローチを取っている。
- **MoCo**では、大規模データセットに対しても動的な辞書を用いることで、高効率なネガティブサンプルの利用が可能となっている。
- **SimCLR**は、バッチサイズを大きくすることや多様なデータ拡張技術を利用することで、最適な埋め込みを学習できるよう工夫されている。

**④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載**

- 生成モデルが収束しにくい理由は、ジェネレータとディスクリミネータの同期の問題である。ディスクリミネータが強力すぎる場合、ジェネレータが学習できず、実際のようなフェイクデータを生成できないため、学習が停滞する。また、パラメータの振動や非収束という問題もある。
- コントラスト学習のメカニズムは、同一サンプルの増強バージョンを近づけ、異なるサンプルを遠ざけることによって、モデルが類似した特徴を学習しやすくするものである。この方法は、ラベルなしデータでも効果的に学習が行えるため、ラベル付けのコストを削減できる。
- 特に**SimCLR**や**MoCo**の手法は、豊富なネガティブサンプルを活用することで、埋め込み空間が十分に分離され、汎用的な特徴を学習できるようになるため、モデルの性能向上に寄与している。

**▼質問(人間)**
続けて下記の質問に追加で回答下さい:
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑦上記⑥以外で表に出来そうな部分があれば表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば記載)
⑧難解用語を全て列挙して、表にまとめて下さい。(必ず正しく抜き取る事、|用語|説明|の表へ)

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**⑤性能が向上した記載**

- コントラスト学習において、従来の手法に比べて性能が向上したことが示されている。特に、**SwAV**、**MoCo**、**SimCLR**といった最近の手法が、ImageNetのような大規模データセットにおいて、教師あり学習と比較しても同等またはそれ以上のパフォーマンスを示している（図3を参照）。
  - **SimCLR**：ImageNetデータセットでの結果は、線形プローブ設定において、既存の自己教師あり学習手法を上回る結果を示している。例えば、SimCLRのResNet-50モデルでは、トップ1精度が70.4%に達している（対応する図3）。
  - **MoCo**：同様にResNet-50を使用した場合、MoCo v2ではトップ1精度が71.1%を記録しており、自己教師あり学習手法の中でも高い性能を示している（対応する図3）。
  - **SwAV**：教師なしで学習した特徴をクラスタリングに基づいて線形分類器で評価した際、精度が75.3%に達している（対応する図3）。

**⑥比較の記載**

| 手法    | 特徴                                           | トップ1精度 (ImageNet) | 主なアプローチ                     |
|---------|------------------------------------------------|-----------------------|------------------------------------|
| SimCLR  | 大規模バッチサイズと多様なデータ拡張技術を使用  | 70.4%                 | コントラスト損失を使用             |
| MoCo    | 辞書ベースのネガティブサンプルを使用           | 71.1%                 | 動的辞書とコントラスト損失を使用   |
| SwAV    | クラスタリングベースの手法                     | 75.3%                 | コントラスト損失を使用せずに学習   |
| GAN     | 生成モデルによる学習                            | N/A                    | 生成ネットワークと判別ネットワーク|

- **解説**: この表では、各手法の主な特徴とImageNetにおけるトップ1精度の違いを示している。特にSwAVはコントラスト損失を使用しない点で他の手法と異なり、高精度を達成している。

**⑦上記⑥以外で表に出来そうな部分**

| 生成モデル | コントラスト学習 | 説明 |
|------------|------------------|------|
| GAN        | SimCLR            | GANは生成ネットワークと判別ネットワークを用いてデータを生成する。SimCLRはデータ拡張を用いてコントラスト損失を最適化する。 |
| CycleGAN   | MoCo              | CycleGANは異なるドメイン間での画像変換に使用され、MoCoは辞書ベースで大規模なネガティブサンプルを利用して学習する。|
| StyleGAN   | SwAV              | StyleGANは画像生成においてスタイルベースの手法を導入し、SwAVはクラスタリングベースの学習を行う。|

- **解説**: 生成モデルとコントラスト学習の主要な手法を対比して、それぞれの違いや学習の仕組みを表にまとめている。

**⑧難解用語を全て列挙して、表にまとめ**

| 用語            | 説明                                                                 |
|-----------------|----------------------------------------------------------------------|
| 自己教師あり学習 | ラベルなしデータから特徴表現を学習する手法。                                 |
| コントラスト学習 | 正のサンプルと負のサンプルを比較して特徴を学習する手法。                         |
| 生成モデル       | データを生成するための機械学習モデル。                                   |
| Generative Adversarial Networks (GAN) | 生成ネットワークと判別ネットワークを使って画像を生成するモデル。  |
| ResNet          | 残差接続を利用した深層ニューラルネットワーク。                                 |
| ImageNet        | 大規模な画像データセットで、画像分類タスクでよく使用される。                        |
| SimCLR          | コントラスト学習を用いた自己教師あり学習手法。                                 |
| MoCo            | 辞書ベースのコントラスト学習手法で、ネガティブサンプルの効率的な利用を行う。              |
| SwAV            | クラスタリングベースで自己教師あり学習を行う手法。                              |

**▼質問(人間)**
続けて下記の質問に追加で回答下さい:
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明**

- **図1**: コントラスト学習の基本的な仕組みを説明する図。特に、同一サンプルの異なる拡張バージョンが近くに配置され、異なるサンプルが遠くに配置されるように、埋め込み空間を学習する方法を示している。注目すべきポイントは、データの拡張が正のサンプルを生成し、他のサンプルが負のサンプルとして扱われる点である。
- **図2**: データの拡張とコントラスト学習の全体的なプロセスを視覚的に示す。この図は、モデルがどのようにして正と負のサンプルを区別し、学習するかを詳細に表現している。特に、エンコーダーネットワークを通して得られた特徴表現が、どのようにコントラスト損失を介して学習されるかに焦点が当てられている。
- **図3**: ImageNetデータセットにおける自己教師あり学習手法（SwAV、MoCo、SimCLRなど）の性能を視覚化した図。各手法が、教師あり学習と比較してどれほどの精度を達成したかを示している。注目点として、SwAVがコントラスト損失を使用せずに高い精度を達成している点が挙げられる。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/79de7daf-4545-c375-057b-251896ea3997.png)

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/6c270445-dac3-a06c-700d-ffd223c5217d.png)

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/d59df478-87bd-f881-9036-d45e1db0d4d0.png)

**⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめ**

| 参照番号 | 概要説明                                                                 |
|----------|-------------------------------------------------------------------------|
| [1]      | GRAD-CAM: モデルの決定に対する視覚的説明を提供するための手法を提案した研究。                             |
| [2]      | 一般化エラー、偽の相関、対敵攻撃など、教師あり学習の問題点を指摘した研究。                                |
| [3]      | Generative Adversarial Networks (GAN)の提案研究。生成モデルにおける基礎的な概念を提供。                    |
| [4]      | CycleGAN: 異なるドメイン間の画像変換に関する研究。                                                       |
| [5]      | StyleGAN: 生成された画像のスタイルを制御可能にした研究。                                                  |
| [6]      | PixelRNN: ピクセル単位で画像を生成するモデルに関する研究。                                                |
| [7]      | Text2Image: テキストから画像を生成する手法を提案した研究。                                                |
| [8]      | DiscoGAN: 画像生成において異なるドメイン間でスタイルを変換する手法。                                      |
| [9]      | Epsteinの実験: 人間の脳が完全な視覚情報を必要とせずに物体を認識できることを示した実験。                     |
| [10][11][12] | コントラスト学習に基づく初期のインスタンスレベル分類手法。                                             |
| [13]     | SwAV: クラスタリングベースで自己教師あり学習を行う手法を提案した研究。                                     |
| [14]     | MoCo: 辞書ベースのコントラスト学習手法。辞書を動的に更新し、効率的にネガティブサンプルを利用。               |
| [15]     | SimCLR: 大規模バッチサイズと多様なデータ拡張を使用してコントラスト学習を行う手法。                          |
| [16]     | ImageNet: 画像分類タスクで広く使用される大規模なデータセットに関する研究。                                 |
| [17]     | PIRL: 事前学習タスクを用いて自己教師あり学習を行う手法を提案。                                            |
| [18]     | Selfie: コントラスト学習における効果的な事前学習タスクを提案した研究。                                     |
| [19]     | 他の事前学習タスクに関連する研究。

##   2 Pretext Tasks
###   2.1 Color Transformation

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
2 Pretext Tasks
Pretext tasks are self-supervised tasks that act as an important strategy to learn representations of the data using pseudo
labels. These pseudo labels are generated automatically based on the attributes found in the data. The learned model
from the pretext task can be used for any downstream tasks such as classification, segmentation, detection, etc. in
computer vision. Furthermore, these tasks can be applied to any kind of data such as image, video, speech, signals,
and so on. For a pretext task in contrastive learning, the original image acts as an anchor, its augmented(transformed)
version acts as a positive sample, and the rest of the images in the batch or in the training data act as negative samples.
Most of the commonly used pretext tasks are divided into four main categories: color transformation, geometric
transformation, context-based tasks, and cross-modal based tasks. These pretext tasks have been used in various
scenarios based on the problem intended to be solved.
2.1 Color Transformation
Color transformation involves basic adjustments of color levels in an image such as blurring, color distortions, converting
to grayscale, etc. Figure 4 represents an example of color transformation applied on a sample image from the ImageNet
dataset [15]. During this pretext task, the network learns to recognize similar images invariant to their colors.
2.2 Geometric Transformation
A geometric transformation is a spatial transformation where the geometry of the image is modified without altering
its actual pixel information. The transformations include scaling, random cropping, flipping (horizontally, vertically),
etc. as represented in figure 5 through which global-to-local view prediction is achieved. Here the original image is
considered as the global view and the transformed version is considered as the local view. Chen et. al. [15 ] performed
such transformations to learn features during pretext task.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑦上記⑥以外で表に出来そうな部分があれば表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば記載)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**①何についての記載か? + 要旨は何?**

**記載内容**  
この章は、自己教師あり学習における事前タスク（pretext task）について述べている。これらのタスクは、擬似ラベルを使ってデータの特徴表現を学習し、後続のタスク（分類、セグメンテーション、検出など）で使用される。特に、色変換と幾何変換という2つの代表的なタスクに焦点を当てている。

**要旨**
- **事前タスクの役割**: 擬似ラベルを生成し、後続タスクに使用可能な特徴表現を学習する。
- **使用されるデータの種類**: 画像、動画、音声、信号など、あらゆる種類のデータに適用可能。
- **事前タスクの主なカテゴリ**: 色変換、幾何変換、コンテクストベース、クロスモーダルベース。
- **色変換**: ぼかし、色の歪み、グレースケール変換などで、色に対して不変な特徴を学習する。
- **幾何変換**: スケーリング、ランダムクロップ、フリップ（水平・垂直）など、空間的な変換を通して特徴を学習する。

**②具体的な処理方法の記載**

- **色変換**: このタスクでは、元の画像に対して色の調整を行う。具体的には、画像のぼかしや色の歪み、グレースケール変換などが適用される。このタスクにより、ネットワークは色に依存しない画像の類似性を学習する。これにより、色が異なっていても同じオブジェクトを認識できるようになる。図4では、ImageNetデータセット[15]のサンプル画像に色変換を適用した例が示されている。
  
- **幾何変換**: 幾何変換では、画像の空間的な構造を変更するが、ピクセルの内容自体は変更しない。例として、スケーリング、ランダムクロップ、水平または垂直フリップなどの操作がある。このタスクを通じて、グローバルビュー（元の画像）とローカルビュー（変換後の画像）の予測が行われる。Chenら[15]は、これらの幾何変換を使用して特徴を学習させることで、より強力な特徴表現を得ている。図5にその例が示されている。

**③改良点・工夫点・テクニック等の記載**

- **色変換**: 色の歪みやぼかしのような操作を導入することで、ネットワークは色に依存せず、物体の形状や構造に基づいて学習できる。この工夫により、色や照明の変化に対して頑健な特徴を学習することが可能となる。
  
- **幾何変換**: 空間的な変換を通じて、グローバルビュー（オリジナルの画像）とローカルビュー（変換後の画像）の間の関係性を学習する。これにより、画像の一部分から全体的な構造を推測する能力が向上する。また、ランダムクロップやフリップを使うことで、ネットワークが多様な視点や角度からの画像を認識できるようになる。

**④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載**

- **色変換のメカニズム**: 色変換タスクでは、ネットワークが物体の色ではなく形状や輪郭に基づいて特徴を学習する。これにより、色の違いによる認識の誤りを避け、視覚的に類似しているが色が異なる物体を同一視することができるようになる。
  
- **幾何変換のメカニズム**: 幾何変換タスクでは、元の画像をグローバルビュー、変換後の画像をローカルビューとして扱う。この方法により、ネットワークは、画像全体とその一部との関係を理解し、部分的な情報から元の画像を推測する力を強化できる。

**⑤性能が向上した記載**

色変換や幾何変換を使用することで、色や視点の違いに対してロバストな特徴を学習する能力が向上し、分類精度や検出精度が向上する。具体的な数値は本節には記載されていないが、後続タスク（分類やセグメンテーションなど）での性能向上が期待される。図4および図5は、このタスクの具体例を示している。

**⑥比較の記載**

| 事前タスクの種類       | 特徴                             | 主な操作                            | 学習する特徴                               | 図表番号 |
|--------------------|--------------------------------|--------------------------------|---------------------------------------|--------|
| 色変換              | 画像の色の変更                     | グレースケール、色の歪み、ぼかし          | 色に依存しない物体の形状や構造              | 図4     |
| 幾何変換            | 空間的な変換                       | スケーリング、ランダムクロップ、フリップ  | 部分的な情報から全体を予測する能力           | 図5     |

**⑦上記⑥以外で表に出来そうな部分**

無し。

**⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明**

- **図4**: 色変換の例として、ImageNetデータセットのサンプル画像に対してぼかしや色の歪みを適用した結果を示している。この図は、色変換タスクがどのように機能し、色の違いに依存しない学習を可能にするかを視覚的に説明するために使用されている。
  
- **図5**: 幾何変換の例として、スケーリングやフリップなどの空間的変換を適用した結果を示している。この図は、グローバルビューとローカルビューの予測がどのように行われるかを視覚的に表現し、幾何変換が空間的な構造を学習する手助けをしていることを説明している。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/6ee1bbe2-c87d-5fd0-0580-5d755eb8faf2.png)

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/562cdef4-1597-1383-7f4f-75c58da9ca54.png)

##   2.3 Context-Based
###   2.3.1 Jigsaw puzzle
###   2.3.2 Frame order based
###   2.3.3 Future prediction

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
2.3 Context-Based
2.3.1 Jigsaw puzzle
Traditionally, solving jigsaw puzzles has been a prominent task in learning features from an image in an unsupervised
way. It involves identifying the correct position of the scrambled patches in an image by training an encoder (figure 6).
In terms of contrastive learning, the original image is the anchor, and an augmented image formed by scrambling the
patches in the original image acts as a positive sample. The rest of the images in the dataset/batch are considered to be
negative samples [17].
2.3.2 Frame order based
This approach applies to data that extends through time. An ideal application would be in the case of sensor data or
a sequence of image frames (video). A video contains a sequence of semantically related frames. This implies that
frames that are nearby with respect to time are closely related and the ones that are far away are less likely to be related.
Intuitively, the motive for using such an approach is, solving a pretext task that allows the model to learn useful visual
representations while trying to recover the temporal coherence of a video. Here, a video with shuffled order in the
sequence of its image frames acts as a positive sample while all other videos in the batch/dataset would be negative
samples.
Similarly, other possible approaches include randomly sampling two clips of the same length from a longer video or
applying spatial augmentation for each video clip. The goal is to use a contrastive loss to train the model such that clips
taken from the same video are arranged closer whereas clips from different videos are pushed away in the embedding
space. In the work proposed by Qian et. al. [20], the framework contrasts the similarity between two positive samples
to those of negative samples. The positive pairs are two augmented clips from the same video. As a result, it separates
all encoded videos into non-overlapping regions such that an augmentation used in the training perturbs an encoded
video only within a small region in the representation space.
2.3.3 Future prediction
One of the most common strategies for data that extends through time is to predict future or missing information. This
is commonly used for sequential data such as sensory data, audio signals, videos, etc. The goal of a future prediction
task is to predict high-level information of future time-step given a series of past ones. In the work proposed by
[ 21 , 22], high-dimensional data is compressed into a compact lower-dimensional latent embedding space. Powerful
autoregressive models are used to summarize the information in the latent space and a context latent representation
Ct is produced as represented in figure 7. When predicting future information, the target (future) and context Ct are
encoded into a compact distributed vector representation in a way that maximally preserves the mutual information of
the original signals.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑦上記⑥以外で表に出来そうな部分があれば表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば記載)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**①何についての記載か? + 要旨は何?**

**記載内容**  
この章では、自己教師あり学習における**コンテクストベースの事前タスク**（context-based pretext tasks）について述べている。具体的には、ジグソーパズル、フレーム順序ベース、未来予測の3つのアプローチに焦点を当て、それぞれがどのようにデータの特徴を学習するかを説明している。

**要旨**
- **ジグソーパズル**: 画像のパッチをランダムにシャッフルし、正しい位置に戻すことで特徴を学習するタスク（図6）。
- **フレーム順序ベース**: 時系列データに対して、フレームの順序を元に戻すことで視覚的な特徴を学習する。
- **未来予測**: 過去の情報から未来の高レベルな情報を予測するタスク。高次元データを低次元の潜在空間に圧縮し、オートレグレッシブモデルを用いて未来の情報を推測する（図7）。

**②具体的な処理方法の記載**

- **ジグソーパズル**: 画像のパッチをランダムにシャッフルし、そのパッチの正しい位置を予測するようにモデルをトレーニングする。元の画像をアンカーとして扱い、シャッフルされた画像をポジティブサンプル、その他の画像をネガティブサンプルとする【17】。これにより、モデルは画像の部分的な情報を統合し、全体的な構造を認識する能力を学習する（図6）。
  
- **フレーム順序ベース**: このタスクは、時系列データ（例: ビデオフレーム）の順序を学習する。シャッフルされたフレームをポジティブサンプル、その他のビデオフレームをネガティブサンプルとして扱う。また、同じビデオ内のクリップを2つランダムにサンプリングし、これらをポジティブペアとしてコントラスト損失を使用してモデルをトレーニングする。この手法により、時系列データの時間的コヒーレンスを保持する特徴が学習される【20】。

- **未来予測**: 過去のデータから未来の情報を予測する。このタスクでは、データを低次元の潜在空間に圧縮し、オートレグレッシブモデルで過去の情報を要約する。次に、その要約された情報（コンテクスト表現）と予測対象の未来の情報をエンコードし、元の信号の相互情報量を最大限に保持したベクトル表現に変換する【21, 22】（図7）。

**③改良点・工夫点・テクニック等の記載**

- **ジグソーパズル**: パッチのシャッフルによるタスクは、ランダム性を導入してモデルに多様な空間的な関係性を学習させる工夫が見られる。
  
- **フレーム順序ベース**: 動画の時間的コヒーレンスを考慮し、隣接するフレームの相関関係を保持しながら学習するテクニックが使用されている。また、異なる時間間隔のフレームを比較することで、時間的に異なる関係性も学習できる。

- **未来予測**: 高次元データを低次元の潜在空間に圧縮することで、無駄な情報を削減し、重要な時間的パターンを学習することができる。

**④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載**

- **ジグソーパズル**: このタスクでは、画像の部分的な情報から全体的な構造を学習する。モデルは、シャッフルされたパッチを元に戻すことで、空間的な関係性やパッチ間の相互依存性を学習し、画像の全体的な特徴を捉える能力を向上させる。
  
- **フレーム順序ベース**: フレームが時間的に近接しているほど意味的に関連しているという仮定に基づいており、この順序を復元するタスクを通じて、モデルは時間的な関係性を学習する。結果として、ビデオデータにおける時間的コヒーレンスの認識能力が向上する。

- **未来予測**: このタスクは、未来の出来事を予測することで、モデルが過去の情報から時間的なパターンを学習する。高次元のデータを低次元の潜在空間に圧縮することで、重要な相関関係のみを保持し、効率的に未来を予測する。

**⑤性能が向上した記載**

ジグソーパズルやフレーム順序ベース、未来予測のタスクは、全てモデルの視覚的表現学習を促進し、特に時系列データやビデオデータに対して、時間的なコヒーレンスを保持した特徴を学習できる。具体的な性能向上の数値は本節では記載されていないが、視覚表現や予測精度が向上することが期待されている（図6および図7）。

**⑥比較の記載**

| タスク                | 特徴                            | 使用するデータ                          | 目標                                 | 図表番号 |
|--------------------|------------------------------|--------------------------------|---------------------------------|--------|
| ジグソーパズル          | 画像のパッチをシャッフルし、正しい順序を予測 | 静止画                              | 空間的関係性の学習                        | 図6     |
| フレーム順序ベース      | フレームの順序を元に戻す               | 時系列データ（例: ビデオ）                | 時間的コヒーレンスの学習                   | なし     |
| 未来予測              | 過去のデータから未来を予測             | 時系列データ（例: センサーデータ、音声、動画） | 未来の情報を正確に予測する能力の向上            | 図7     |

**⑦上記⑥以外で表に出来そうな部分**

無し。

**⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明**

- **図6**: ジグソーパズルタスクの具体例を示しており、画像のパッチがランダムにシャッフルされた状態から正しい順序に戻す過程を視覚的に説明している。この図は、空間的な関係性を学習するための重要な手法であることを強調している。
  
- **図7**: 未来予測タスクにおけるコンテクスト表現と未来の情報のエンコード過程を示している。この図は、高次元データを低次元の潜在空間に圧縮し、オートレグレッシブモデルを使って未来を予測するプロセスを視覚化している。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/01161b54-00f9-f5e9-39b4-43cea445fb18.png)

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/96a66825-2df2-d16e-6d15-144d08609590.png)

##   2.4 View Prediction (Cross modal-based)
###   2.5 Identifying the right pre-text task

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
2.4 View Prediction (Cross modal-based)
View prediction tasks are preferred for data that has multiple views of the same scene. Following this approach, in [23 ],
the anchor and its positive images taken from simultaneous viewpoints, are encouraged to be close in the embedding
space while distant from negative images taken from a different time within the same sequence. The model learns
by trying to simultaneously identify similar features between the frames from different angles and also trying to find
the difference between frames that occur later in the sequence. Figure 8 represents their approach for view prediction.
Similarly, recent work proposes an inter-intra contrastive framework where inter-sampling is learned through multi-view
of the same sample, and intra-sampling that learns the temporal relation is performed through multiple approaches such
as frame repetition and frame order shuffling that acts as the negative samples [24].
2.5 Identifying the right pre-text task
The choice of pretext task relies on the type of problem being solved. Although numerous methods have been proposed
in contrastive learning, a separate track of research is still going on to identify the right pre-text task. Work has identified
and proved that it is important to determine the right kind of pre-text task for a model to perform well with contrastive
learning. The main aim of a pre-text task is to compel the model to be invariant to these transformations while remaining
discriminative to other data points. But the bias introduced through such augmentations could be a double-edged
sword, as each augmentation encourages invariances to a transformation which can be beneficial in some cases and
harmful in others. For instance, applying rotation may help with view-independent aerial image recognition but might
significantly downgrade the performance while trying to solve downstream tasks such as detecting which way is up in a
photograph for a display application. [ 25 ]. Similarly, colorization-based pretext tasks might not work out in a fine-grain
classification represented in figure 9.
Similarly, in work [26 ], the authors focus on the importance of using the right pretext task. The authors pointed out
that in their scenario, except for rotation, other transformations such as scaling and changing aspect ratio may not be
appropriate for the pretext task because they produce easily detectable visual artifacts. They also reveal that rotation
does not work well when the image in a target dataset is constructed by color textures as in DTD dataset [ 27] as shown
in figure 10.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑦上記⑥以外で表に出来そうな部分があれば表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば記載)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

**2.4 View Prediction (Cross modal-based)**  
- 異なる視点からの画像やフレーム間の関連性を学習し、異なる時間や角度からのデータの違いを学習する手法について記載されている。
- 同じシーンの複数のビューを持つデータに適用される。
- アンカー画像と正のサンプルが同じシーンの異なる視点から取られたもので、異なる時間で取られた画像は負のサンプルとされる。
- 例として、inter-intraコントラストフレームワークが提案されており、同一サンプルの複数ビュー（inter-sampling）とフレームの順序シャッフルや繰り返し（intra-sampling）を用いた負のサンプル学習が挙げられる【23, 24】。

**2.5 Identifying the right pre-text task**  
- 適切なpre-text task（事前タスク）を選択する重要性について記載されている。
- Contrastive learningにおいて、pre-text taskの選択はモデル性能に大きな影響を与える。
- それぞれのaugmentation（データ変換）がモデルにバイアスをもたらす可能性があり、タスクに応じて有益または有害になる場合がある【25】。
- 例として、回転が一部の画像認識タスクには有効だが、他のタスクではパフォーマンスを下げる可能性があることや、カラー化タスクが微細な分類に適さない場合が挙げられている。
- ある研究では、スケーリングやアスペクト比の変更が事前タスクに適さないと指摘され、特定のデータセット（例：DTDデータセット）に対して回転変換が機能しないことが示されている【26, 27】。

**② 具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。**

**2.4 View Prediction (Cross modal-based)**  
- Anchor（基準画像）とPositive（正のサンプル）の画像は同一シーンを異なる視点から撮影されたものであり、負のサンプルは同じシーケンス内の別の時間に撮影されたものである。
- モデルは、異なる視点からのフレーム間で類似する特徴を学び、時系列の異なるフレーム間の差異を特定する。
- Inter-intraコントラストフレームワークでは、inter-samplingは同一サンプルの複数ビューを学び、intra-samplingではフレーム繰り返しや順序シャッフルが負のサンプルとして使用される【24】。

**2.5 Identifying the right pre-text task**  
- Pre-text taskの選択によって、特定のタスクに対するモデルの性能が左右される。
- 回転、スケーリング、アスペクト比の変更、色変換などの変換が具体的な事前タスクとして使用されることがあり、それぞれのタスクにおいて有効かどうかが異なる。
- 例えば、画像回転が航空画像認識には有効であるが、微細分類や写真表示アプリケーションには適さないとされている【25, 26】。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。**

**2.4 View Prediction (Cross modal-based)**  
- Inter-intraコントラストフレームワークにおいて、マルチビュー学習を通じてinter-samplingを行い、時系列のシャッフルや繰り返しを用いるintra-samplingを組み合わせる工夫がなされている【24】。

**2.5 Identifying the right pre-text task**  
- 各タスクに最適なaugmentationを選択することが提案されている。特定の変換（例：回転や色変換）が特定の問題に対して有害であることを指摘し、それらを回避する工夫が求められている【25, 26】。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。**

**2.4 View Prediction (Cross modal-based)**  
- 異なる視点からのフレームは、同じシーンの異なる視点を表すため、特徴が類似しているが、時間が離れるとシーンの違いが大きくなる。そのため、時系列順序や視点の違いに基づく学習が有効になる【23, 24】。

**2.5 Identifying the right pre-text task**  
- 変換によるバイアスがタスクに影響を与えるため、適切なpre-text taskを選定することが重要である。誤った変換はモデルの学習を誤った方向に導く可能性がある【25】。

**⑤ 性能が向上した記載があれば説明下さい。**

無し。

**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。**

| 研究 | タスク | 成功した変換 | 失敗した変換 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 【25】 | View-independent aerial image recognition | 回転 | - | View-independentの特徴抽出に有効 |
| 【26】 | Fine-grained classification | - | 回転、スケーリング、アスペクト比変更 | DTD datasetでは回転が不適 |

**⑦ 上記⑥以外で表に出来そうな部分があれば表でまとめて下さい。**

| Pre-text Task | 効果のあるタスク例 | 効果が低いタスク例 |
|---|---|---|
| 回転 | 航空画像認識 | 写真の向き検出 |
| カラー化 | 微細分類 | - |

**⑩ 図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。**

- **図8**: 異なる視点から撮影された画像の特徴を学習し、それを埋め込み空間でどのように配置するかを示す図。複数視点の学習を通じて、異なる時間のフレームとの差異を明確にすることを示している。
- **図9**: 異なるpre-text task（例：カラー化）における効果を示す図。特定のタスクにおいて、カラー化タスクが有効であるかを視覚的に示している。
- **図10**: DTD datasetにおける回転変換がどのように影響するかを示す図。回転が有害な場合の具体例を示している。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/84f061a5-443f-f31e-4885-e90e554354d7.png)

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/c908a634-85fa-da1d-d59b-970ef2952aaf.png)

##   2.6 Pre-text tasks in NLP
###   2.6.1 Center and Neighbor Word Prediction
###   2.6.2 Next and Neighbor Sentence Prediction
###   2.6.3 Auto-regressive Language Modeling
###   2.6.4 Sentence Permutation

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
2.6 Pre-text tasks in NLP
While self-supervised learning has been making significant progress in computer vision tasks for the past few years,
it has been an active area of research in NLP for decades. Using a pretext task refers to generating labels such that
supervised approaches can be applied to unsupervised problems to pre-train models. In NLP, text representations can be
learned from large text corpora using any of the available pretext tasks that are discussed below.
2.6.1 Center and Neighbor Word Prediction
Back in 2013, Word2Vec [ 29 ] first introduced self-supervised methods to learn word representations in vector space.
The continuous bag-of-words version of the model used "center word prediction" as the pretext task while the continuous
skip-gram model implemented "neighbor word prediction" task. In center word prediction, the input to the model is a
sequence of words with a fixed window size and one word missing from the center of the sequence. The task of the
model is to predict the missing word in the sequence. On the other hand, the input in skip-gram model is a single word
where the model predicts its neighbor words. By performing these particular tasks, the model is able to learn word
representations that can be further used to train models for downstream tasks.
2.6.2 Next and Neighbor Sentence Prediction
In "next sentence prediction", the model predicts whether two inputs sentences can be consecutive sentences or not. A
positive sample in this case would be a sample that follows the original sentence while a negative sample is a sentence
from a random document. BERT [ 30 ] used this method to drastically improve performance on downstream tasks that
required an understanding of sentence relations such as question answering and language inference.
Similarly, given a sentence, a model has to predict its previous and the next sentence in "neighbor sentence prediction
task". This approach was inherited by Skip-Thought Vectors [31 ] paper. It is similar to the skip-gram method but rather
applied to sentences in place of words.
2.6.3 Auto-regressive Language Modeling
This task involves predicting the next word, given previous words or vice-versa. A sequence of words from a text
document is provided and the model tries to predict the next word that follows the sequence. This technique has been
used by several n-gram models and neural networks such as GPT [32] and its recent versions.
2.6.4 Sentence Permutation
A recent paper known as BART [33] used a pretext task where a continuous span of text from the corpus is taken and
broken into multiple sentences. The position of the sentences are randomly reshuffled and the task of the model is to
predict the original order of the sentences.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑦上記⑥以外で表に出来そうな部分があれば表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば記載)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

**2.6 Pre-text tasks in NLP**  
- 自然言語処理（NLP）における自己教師あり学習の進展についての記載である。
- 自己教師あり学習におけるpre-text taskの重要性が強調されており、これにより教師なし問題に対して教師ありアプローチを適用できる。
- NLPにおける主なpre-text taskの種類として、以下の方法が挙げられている。
  - **Center and Neighbor Word Prediction**: Word2Vecによって提案された手法で、中心単語や隣接単語を予測するタスクである【29】。
  - **Next and Neighbor Sentence Prediction**: 文が連続するか否かを予測するBERTのタスク【30】、およびSkip-Thought Vectorsによる隣接文予測タスク【31】。
  - **Auto-regressive Language Modeling**: 次の単語を予測するタスクであり、GPTなどが採用【32】。
  - **Sentence Permutation**: 文の順序を予測するタスクであり、BARTが採用【33】。

**② 具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。**

**2.6.1 Center and Neighbor Word Prediction**  
- **Center Word Prediction**: 入力として一定のウィンドウサイズの単語列を使用し、その中央の単語を欠損させる。モデルは欠損した単語を予測するタスクを行う。  
- **Neighbor Word Prediction**: 入力として単一の単語が与えられ、その隣接する単語を予測する。このタスクは連続スキップグラムモデルで用いられる【29】。

**2.6.2 Next and Neighbor Sentence Prediction**  
- **Next Sentence Prediction**: 二つの文が連続するかどうかを予測する。正のサンプルは元の文に続く文であり、負のサンプルはランダムな文書から取られた文である。  
- **Neighbor Sentence Prediction**: 与えられた文に対して、その前後の文を予測する。このタスクは、Skip-Thought Vectorsで提案された【30, 31】。

**2.6.3 Auto-regressive Language Modeling**  
- テキストから一連の単語が提供され、その次に続く単語を予測する。逆に、前の単語を予測する場合もある。主にn-gramモデルやGPTがこの技術を使用する【32】。

**2.6.4 Sentence Permutation**  
- コーパスの連続したテキストスパンを取り、複数の文に分割する。文の位置をランダムにシャッフルし、元の順序を予測するタスクを行う【33】。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。**

- **2.6.1 Center and Neighbor Word Prediction**: Word2Vecでは、単語の連続性とその文脈の関係を効果的に捉えるために、center wordとneighbor wordの両方を予測する異なるモデルが提案されている【29】。
  
- **2.6.2 Next and Neighbor Sentence Prediction**: BERTは次文予測により文間の関係を学習するが、Skip-Thought Vectorsでは文全体の文脈を捉えるために前後の文を予測する工夫が加えられている【30, 31】。
  
- **2.6.3 Auto-regressive Language Modeling**: GPTのようなモデルは、前の単語を使用して次の単語を予測する「順次」アプローチを採用しており、このテクニックにより言語モデルの高精度化を実現している【32】。

- **2.6.4 Sentence Permutation**: BARTでは、文の順序を乱すことで文脈理解能力を強化しており、ランダムな順序から元の順序を予測する難易度が高いタスクを採用している【33】。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。**

- **2.6.1 Center and Neighbor Word Prediction**: 中央や隣接単語の予測を通じて、単語間の関係性や文脈的な意味を学習することで、単語ベクトルの分布を効率的に獲得できる【29】。
  
- **2.6.2 Next and Neighbor Sentence Prediction**: 次文予測や隣接文予測では、文同士の論理的・時間的な関係を学ぶことで、文全体の意味をより深く理解することが可能となる【30, 31】。

- **2.6.3 Auto-regressive Language Modeling**: 自己回帰型のモデルでは、前の単語を基に次の単語を予測することで、文の逐次的な生成を強化し、次に出現する可能性が高い単語を学習する【32】。

- **2.6.4 Sentence Permutation**: 文の順序をシャッフルすることで、文の流れや論理的構造を理解する能力を向上させ、モデルの文脈理解能力を高める【33】。

**⑤ 性能が向上した記載があれば説明下さい。**

- **Next Sentence Prediction**によってBERTのパフォーマンスが大幅に向上したとされる【30】。特に質問応答や言語推論のタスクで顕著な改善が見られた。

**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。**

| Pre-text Task | 使用モデル | 目的 | 特徴 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| Center Word Prediction | Word2Vec | 欠損した単語の予測 | 中央の単語を学習 | 【29】 |
| Neighbor Word Prediction | Word2Vec | 隣接単語の予測 | 文脈に基づく予測 | 【29】 |
| Next Sentence Prediction | BERT | 次の文が続くかどうかの予測 | 文間の関係を学習 | 【30】 |
| Neighbor Sentence Prediction | Skip-Thought Vectors | 前後の文の予測 | 文全体の流れを理解 | 【31】 |
| Auto-regressive Language Modeling | GPT | 次の単語の予測 | 前の単語に基づく逐次予測 | 【32】 |
| Sentence Permutation | BART | 文の順序を予測 | 文脈理解の強化 | 【33】 |

**⑦ 上記⑥以外で表に出来そうな部分があれば表でまとめて下さい。**

| Pre-text Task | 適用可能なタスク例 | 不適切なタスク例 |
|---|---|---|
| Center Word Prediction | 基本的な文脈理解 | - |
| Next Sentence Prediction | 質問応答 | フラグメント化された文 |
| Auto-regressive Language Modeling | 言語生成 | 長文の文脈理解 |

**⑩ 図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)**

無し。

##   3 Architectures

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
3 Architectures
Contrastive learning methods rely on the number of negative samples for generating good quality representations. It can
be seen as a dictionary-lookup task where the dictionary is sometimes the whole training set and the rest of the times
some subset of the dataset. An interesting way to categorize these methods would be based on the technique used to
collect negative samples against a positive data-point during training. Based on the approach taken, we categorized
the methods into four major architectures as shown in figure 11. Each architecture is explained separately along with
examples of successful methods that follow similar principles.

Figure 11: Different architecture pipelines for Contrastive Learning: (a) End-to-End training of two encoders where one
generates representation for positive samples and the other for negative samples (b) Using a memory bank to store and
retrieve encodings of negative samples (c) Using a momentum encoder which acts as a dynamic dictionary lookup for
encodings of negative samples during training (d) Implementing a clustering mechanism by using swapped prediction
of the obtained representations from both the encoders using end-to-end architecture

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

**3 Architectures**  
- コントラスト学習のアーキテクチャについての記載である。
- コントラスト学習では、負のサンプルの数が高品質な表現を生成するために重要な役割を果たす。
- コントラスト学習の手法は、訓練時に正のデータポイントに対する負のサンプルを集める方法に基づいて分類できる。
- 4つの主要なアーキテクチャに分類され、それぞれのアーキテクチャは異なる手法に基づいている（図11で示されている）。

**② 具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。**

- **(a) End-to-End training of two encoders**: 2つのエンコーダーをエンドツーエンドで訓練する手法で、1つのエンコーダーが正のサンプルの表現を生成し、もう1つのエンコーダーが負のサンプルの表現を生成する。これにより、直接的に対比学習が行われる。
  
- **(b) Memory bank**: 負のサンプルのエンコーディングをメモリバンクに格納し、後でそれを取得する手法。これにより、大量の負のサンプルを効率的に扱うことができる。実際のデータセット全体を使用することなく、効率的な負のサンプルの選択が可能となる。

- **(c) Momentum encoder**: 動的な辞書参照として機能するモメンタムエンコーダーを使用し、訓練中に負のサンプルのエンコーディングを行う手法。モメンタムエンコーダーは、負のサンプルを常に更新しながら訓練する。

- **(d) Clustering with swapped prediction**: 2つのエンコーダーから得られた表現を入れ替えて予測するクラスターリング機構を使用する。これはエンドツーエンドアーキテクチャを採用し、2つのエンコーダー間の相互予測を行う。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。**

- **(a) End-to-End training**: 直接的に対比を行うため、負のサンプルの数を増やすことが難しいが、モデルの精度を維持しながら効率的に訓練できる。
  
- **(b) Memory bank**: メモリバンクを利用することで、大規模な負のサンプルセットを効率的に保存し、訓練時間を短縮する工夫がされている。

- **(c) Momentum encoder**: モメンタムエンコーダーを使用することで、よりダイナミックな負のサンプルセットを維持し、モデルの表現力を向上させることができる。

- **(d) Clustering with swapped prediction**: 表現を入れ替えることで、より多様な表現を学習しやすくし、クラスタリング効果を強化する。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。**

- **(a) End-to-End training**: 2つのエンコーダーをエンドツーエンドで訓練することで、正のサンプルと負のサンプルの対比が直接的に行われ、学習効率が高まる。
  
- **(b) Memory bank**: メモリバンクを使用することで、モデルが訓練中に大量の負のサンプルを保持する必要がなくなり、負のサンプルの品質を落とさずに効率的に訓練できる。

- **(c) Momentum encoder**: モメンタムエンコーダーは、従来のエンコーダーよりも安定的に動的な辞書参照を行い、訓練プロセス中に負のサンプルの多様性を維持する。

- **(d) Clustering with swapped prediction**: エンコーダー間で予測を入れ替えることで、より多様な視点からデータを捉え、クラスタリングの精度を向上させる。

**⑤ 性能が向上した記載があれば説明下さい。**

- メモリバンクやモメンタムエンコーダーの使用により、エンドツーエンド学習に比べて効率が大幅に向上することが報告されている。図11に記載の手法間での具体的な性能差は記載されていないが、これらの手法の採用によるモデルの収束の高速化が期待される。

**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。**

| アーキテクチャ | 使用手法 | 特徴 | メリット | デメリット |
|---|---|---|---|---|
| End-to-End training | 2つのエンコーダー | 正・負のサンプルを個別にエンコード | 単純かつ直接的なアプローチ | 負のサンプルの拡張が困難 |
| Memory bank | メモリバンク | 大量の負のサンプルを保存 | 訓練時間の短縮 | メモリバンクのサイズに依存 |
| Momentum encoder | モメンタムエンコーダー | 動的な辞書参照 | 負のサンプルの多様性を確保 | モメンタムの調整が必要 |
| Clustering with swapped prediction | クラスタリング + 予測の入れ替え | 表現の多様化 | クラスタリング効果の向上 | エンコーダー間の同期が難しい |

**⑦ 上記⑥以外で表に出来そうな部分があれば表でまとめて下さい。**

無し。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/6945cb57-7bc9-6437-1163-d98209ab94e2.png)

:::note info
※エンコーダー: 入力データを処理して特徴量を抽出して後段タスク用に埋め込みベクトルを出力するもの。
:::

:::note info
※負例の埋め込みベクトルは、固定でもよい(勾配計算・更新なしでもよい)。

元々の入力データ$q$の埋め込みベクトルから勾配計算して更新されればよい。元データ$q$の埋め込みベクトルと、負例の埋め込みベクトル(勾配なし)との類似度を計算して、より違うもの(cos→0)となるように、元データ$q$の埋め込みベクトルが変化すればそれでよい。
:::

##   3.1 End-to-End Learning

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
3.1 End-to-End Learning
End-to-end learning is a complex learning system that uses gradient-based learning and is designed in such a way
that all modules are differentiable [34]. This architecture prefers large batch sizes to accumulate a greater number
of negative samples. Except for the original image and its augmented version, the rest of the images in the batch are
considered negative. The pipeline employs two encoders: a Query encoder (Q) and a Key encoder (K) as shown in
figure (11a). The two encoders can be different and are updated end-to-end by backpropagation during training. The
main idea behind training these encoders separately is to generate distinct representations of the same sample. Using a
contrastive loss, it converges to make positive samples closer and negative samples far from the original sample. Here,
the query encoder Q is trained on the original samples and the key encoder K is trained on their augmented versions
(positive samples) along with the negative samples in the batch. The features q and k generated from these encoders
are used to calculate the similarity between the respective inputs using a similarity metric (discussed later in section
5). Most of the time, the similarity metric used is "cosine similarity" which is simply the inner product of two vectors
normalized to have length 1 as defined in equation 2.
Recently, a successful end-to-end model was proposed in SimCLR [15 ] where they used a batch size of 4096 for
100 epochs. It has been verified that end-to-end architectures are simple in complexity but perform better with large
batch sizes and a higher number of epochs as represented in figure 12. Another popular work that follows end-to-end
architecture was proposed by Oord et. al [ 21] where they learn feature representations of high-dimensional time series
data by predicting the future in latent space by using powerful autoregressive models along with a contrastive loss. This
approach makes the model tractable by using negative sampling. Also, other works that follow this approach include
[35, 36, 37, 38, 39].
The number of negative samples available in this approach is coupled with the batch size as it accumulates negative
samples from the current batch. Since the batch size is limited by the GPU memory size, the scalability factor with these
methods remains an issue. Furthermore, for larger batch sizes, the methods suffer from a large mini-batch optimization
problem and require effective optimization strategies as pointed out by [40].

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

**3.1 End-to-End Learning**  
- エンドツーエンド学習に関する説明である。
- 勾配ベースの学習を使用し、全てのモジュールが微分可能であることを特徴とする複雑な学習システムである。
- このアーキテクチャは、負のサンプルを多く確保するために大きなバッチサイズを好む。
- 2つのエンコーダー（QueryエンコーダーQとKeyエンコーダーK）を使用し、Qはオリジナルサンプル、Kは拡張サンプルに基づいて負のサンプルと共に訓練される。
- SimCLR [15] では、バッチサイズ4096、100エポックを使用して成功したエンドツーエンドモデルを提案している。
- Oordら [21] の研究では、高次元時系列データの特徴表現を対比損失を用いて未来予測する手法を提案している。
- 負のサンプルの数はバッチサイズに依存し、GPUメモリサイズの制約があり、スケーラビリティが問題となる。
- 大規模なバッチサイズでは、ミニバッチの最適化問題が発生し、効果的な最適化戦略が必要である。

**② 具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。**

- エンドツーエンド学習では、2つのエンコーダー（QueryエンコーダーQとKeyエンコーダーK）を用いる。Qはオリジナル画像を、Kは拡張された画像を処理し、その他のバッチ内の画像は負のサンプルとして扱われる。
- エンコーダーは個別に訓練され、正のサンプルは互いに近く、負のサンプルは遠くなるように、対比損失関数を用いて学習される。これは、コサイン類似度を基に入力の類似度を計算する（式2で定義）。
- SimCLR [15] では、バッチサイズ4096、100エポックを用いて訓練し、高い性能を発揮している。
- Oordら [21] は、自動回帰モデルを用いて高次元時系列データの未来を予測し、対比損失と負のサンプルを用いて学習を行った。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。**

- SimCLRでは、非常に大きなバッチサイズ（4096）を使用し、対比学習の性能を向上させた。
- Oordらの研究では、高次元の時系列データに対する自動回帰モデルを用いた未来予測という新しいアプローチを導入した。
- 大規模バッチ最適化の問題を解決するためには、効果的な最適化戦略が必要であると指摘されている [40]。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。**

- 負のサンプルの数がバッチサイズに依存するため、バッチサイズが大きいほど、モデルが学習する負のサンプルの数も増加し、性能が向上する。ただし、GPUメモリの制約により、バッチサイズが大きくなるとスケーラビリティの問題が生じる。
- 対比損失を使用することで、正のサンプルと負のサンプル間の距離を調整し、モデルが特徴表現を学習する仕組みとなっている。

**⑤ 性能が向上した記載があれば説明下さい。**

- SimCLRでは、バッチサイズ4096、100エポックを使用することで、従来の手法と比較して高い性能を発揮したことが報告されている (図12に対応)。
- Oordらのアプローチは、時系列データの高次元表現を効果的に学習することで、従来のモデルよりも高精度な未来予測を実現した。

**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。**

| アプローチ | 使用技術 | 特徴 | メリット | デメリット |
|---|---|---|---|---|
| SimCLR [15] | 大バッチサイズ、対比学習 | 4096のバッチサイズ、100エポック | 高性能、シンプルな設計 | GPUメモリ制約によるスケーラビリティ問題 |
| Oordらの手法 [21] | 自動回帰モデル、対比損失 | 時系列データの未来予測 | 高精度な予測 | 計算資源が大量に必要 |

**⑩ 図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。**

- **図11 (a)**: 2つのエンコーダー（QueryとKey）がエンドツーエンドで訓練される対比学習アーキテクチャを示している。正のサンプルと負のサンプルの分離のための基本構造を視覚的に表現している。
- **図12**: エンドツーエンドアーキテクチャが大規模バッチサイズおよび多くのエポックでより高い性能を発揮することを示す実験結果を視覚的に表している。

**⑪ 関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。**

| 参照番号 | 概要説明 |
|---|---|
| [15] | SimCLRの大バッチサイズを使用した対比学習手法の成功を報告。4096のバッチサイズと100エポックを使用。 |
| [21] | Oordらによる高次元時系列データの特徴表現学習。未来予測に対比損失と自動回帰モデルを使用。 |
| [34] | 勾配ベースの学習における微分可能なモジュール設計の解説。 |
| [35] | エンドツーエンド学習に関連する先行研究の1つ。 |
| [36] | エンドツーエンド学習の手法を応用した研究。 |
| [37] | 対比損失を使用した類似手法に関する研究。 |
| [38] | 自動回帰モデルと対比損失を組み合わせた手法に関連する研究。 |
| [39] | 自動回帰モデルの応用に関連した研究。 |
| [40] | 大規模バッチ最適化に関する問題と、その解決策に関する研究。 |

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/08e40c1f-6a65-12dd-d5e7-6c72808d4017.png)

##   3.2 Using a Memory Bank

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
3.2 Using a Memory Bank
With potential issues from having larger batch sizes that could inversely impact the optimization during training, a
possible solution is to maintain a separate dictionary known as memory bank.
Memory Bank: The aim of maintaining a memory bank is to accumulate a large number of feature representations
of samples that are used as negative samples during training. For this purpose, a dictionary is created that stores and
updates the embeddings of samples with the most recent ones at regular intervals. The memory bank (M) contains a
feature representation mI for each sample I in dataset D. The representation mI is an exponential moving average of
feature representations that were computed in prior epochs. It enables replacing negative samples mI′ by their memory
bank representations without increasing the training batch size.
The representation of a sample in the memory bank gets updated when it is last seen, so the sampled keys are essentially
about the encoders at multiple different steps all over the past epoch. PIRL [ 17 ] is one of the recent successful methods
that learns good visual representations of images trained using a memory bank as shown in figure 13. It requires the
learner to construct representations of images that are covariant to any of the pretext tasks being used, though they
focus mainly on the Jigsaw pretext task. Another popular work that uses a memory bank under contrastive setting was
proposed by Wu et al. [12] where they implemented a non-parametric variant of softmax classifier that is more scalable
for big data applications.
However, maintaining a memory bank during training can be a complicated task. One of the potential drawbacks of
this approach is that it can be computationally expensive to update the representations in the memory bank as the
representations get outdated quickly in a few passes.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

**3.2 Using a Memory Bank**  
- メモリバンクを使用した学習に関する説明である。
- 大きなバッチサイズが訓練時の最適化に悪影響を与える可能性があるため、メモリバンクを保持することが解決策の一つとして提案されている。
- メモリバンクは、訓練中に負のサンプルとして使用されるサンプルの特徴表現を蓄積し、定期的に更新される辞書のようなものである。
- PIRL [17] や Wuら [12] の研究が、メモリバンクを使用した代表的な手法として紹介されている。
- メモリバンクは計算量が大きく、頻繁に更新が必要であるため、時に計算資源を多く消費する。

**要旨**:
- メモリバンクは、バッチサイズを増加させずに負のサンプルを確保するために使われる。
- 各サンプルの特徴表現は過去のエポックで計算されたものの指数移動平均を保持している。
- PIRLやWuらの手法でメモリバンクが有効であることが示されているが、更新がコスト高である可能性がある。

**② 具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。**

- メモリバンク(M)は、データセットD内の各サンプルIに対して特徴表現mIを保持する。この特徴表現mIは、過去のエポックで計算された特徴表現の指数移動平均である。
- 各サンプルの特徴表現は、最新の特徴表現に基づき、定期的に更新される。更新は、サンプルが最後に使用された際に行われるため、異なるエポックのさまざまな段階でのエンコーダー状態に基づくことになる。
- PIRL [17] では、Jigsawという前処理タスクを使って画像の特徴表現を学習し、メモリバンクを用いて効率的な学習を行う。Wuら [12] の手法では、ビッグデータ向けにスケーラブルな非パラメトリック版のsoftmax分類器を使用している。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。**

- メモリバンクを使用することで、バッチサイズを増やすことなく大量の負のサンプルを利用できる。このため、GPUメモリの制約を回避できる。
- PIRL [17] では、画像の特徴表現を学習する際に、Jigsawの前処理タスクを利用して、より強力な視覚表現を得る工夫がなされている。
- Wuら [12] の手法は、softmax分類器を非パラメトリックに拡張し、ビッグデータに対してもスケーラブルな対比学習を可能にしている。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。**

- メモリバンクは、過去に計算された特徴表現を保持しており、負のサンプルの特徴を効率的に利用する仕組みを提供する。これにより、バッチサイズを増やすことなく、より多くの負のサンプルを扱うことが可能である。
- ただし、メモリバンク内の特徴表現は徐々に古くなるため、頻繁な更新が必要となり、これが計算コストを増加させる要因となっている。

**⑤ 性能が向上した記載があれば説明下さい。**

- PIRL [17] では、Jigsawタスクを使用して学習した視覚表現が優れた性能を示していることが報告されている (図13に対応)。
- Wuら [12] の研究では、非パラメトリックsoftmax分類器を使ったビッグデータ向けの対比学習が、従来の手法よりもスケーラブルで高性能であるとされている。

**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。**

| アプローチ | 使用技術 | 特徴 | メリット | デメリット |
|---|---|---|---|---|
| PIRL [17] | Jigsaw前処理タスク、メモリバンク | 視覚表現の学習 | 高性能な特徴表現を生成 | メモリバンクの更新が計算資源を消費 |
| Wuら [12] | 非パラメトリックsoftmax分類器、メモリバンク | ビッグデータ向け対比学習 | スケーラブルな手法 | 更新頻度が高くなると計算コストが増加 |

**⑩ 図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。**

- **図13**: PIRLのメモリバンクを使用した学習方法を示している。特にJigsawタスクに注目して、画像の視覚表現を学習する際のメモリバンクの役割を視覚化している。

**⑪ 関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。**

| 参照番号 | 概要説明 |
|---|---|
| [12] | Wuらの対比学習手法。非パラメトリックsoftmax分類器とメモリバンクを使用し、ビッグデータ向けにスケーラブルな対比学習を提案。 |
| [17] | PIRLの視覚表現学習におけるメモリバンクの利用。主にJigsawタスクを用いて高性能な特徴表現を学習。 |

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/1e1f2713-15e0-9cdb-2365-9b18034aab20.png)

##   3.3 Using a Momentum Encoder

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
3.3 Using a Momentum Encoder
To address the issues with a memory bank explained in the previous section 3.2, the memory bank gets replaced by a
separate module called Momentum Encoder. The momentum encoder generates a dictionary as a queue of encoded keys
with the current mini-batch enqueued and the oldest mini-batch dequeued. The dictionary keys are defined on-the-fly by
a set of data samples in the batch during training. The momentum encoder shares the same parameters as the encoder Q
as shown in figure 11c. It is not backpropagated after every pass, instead, it gets updated based on the parameters of the
query encoder as represented by equation 1 [14].
θk ← mθk + (1 − m)θq (1)
In the equation, m ∈ [0, 1) is the momentum coefficient. Only the parameters θq are updated by back-propagation.
The momentum update makes θk evolve smoothly than θq . As a result, though the keys in the queue are encoded by
different encoders (in different mini-batches), the difference among these encoders can be made small.
The advantage of using this architecture over the first two is that it does not require training two separate models.
Furthermore, there is no need to maintain a memory bank that is computationally and memory inefficient.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

**3.3 Using a Momentum Encoder**  
- メモリバンクの問題点に対処するために、モメンタムエンコーダーという新しいモジュールを導入する手法についての記載である。
- モメンタムエンコーダーは、メモリバンクの代わりに、エンコードされたキーをキューとして保持し、最新のミニバッチをキューに追加し、最も古いミニバッチをキューから削除する仕組みである。
- エンコーダーは同じパラメータを共有するが、バックプロパゲーションはされず、クエリエンコーダーのパラメータに基づいて更新される。
- モメンタム更新により、エンコーダー間の差異を小さくすることができる。
- メモリバンクに比べて、計算効率とメモリ効率の改善が図られる。

**要旨**:
- モメンタムエンコーダーは、メモリバンクを不要にし、計算資源の効率化を実現する。
- モメンタム更新により、エンコーダー間の差異を減らしながら、スムーズな更新が可能になる。
- 2つの異なるモデルを訓練する必要がないため、効率的な学習が可能である。

**② 具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。**

- モメンタムエンコーダーは、現在のミニバッチをキューに追加し、最も古いミニバッチを削除することで、辞書として機能する。
- キュー内のキーは、トレーニング中にバッチ内のデータサンプルに基づいて随時生成される。
- モメンタムエンコーダーは、エンコーダーQと同じパラメータを共有し、エンコーダーQのパラメータを基にモメンタム更新される (式(1)により、θk ← mθk + (1 − m)θq)。
- ここで、m ∈ [0, 1) はモメンタム係数であり、θqはバックプロパゲーションにより更新される。
- この更新により、θkはθqよりもスムーズに進化する。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。**

- モメンタムエンコーダーを使用することで、従来のメモリバンクを保持する必要がなくなるため、計算効率とメモリ効率が大幅に向上する。
- さらに、2つの異なるモデルを訓練する必要がない点が大きな利点である。1つのエンコーダーQのパラメータを基にモメンタムエンコーダーを更新する仕組みによって、モデルの訓練プロセスがシンプルになり、エンコーダー間の差異も最小化される。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。**

- モメンタム更新により、エンコーダー間のパラメータ変動がスムーズに行われ、異なるミニバッチ間のエンコードされたキーにおける差異が小さくなる。これにより、異なるエポックでの学習が安定し、性能向上が図られる。
- バックプロパゲーションによる更新がエンコーダーQにのみ適用され、モメンタムエンコーダーはそのパラメータに基づいてゆっくりと更新されるため、エンコーダー間の急激な変動を防ぐことができる。

**⑤ 性能が向上した記載があれば説明下さい。**

- モメンタムエンコーダーを導入することで、メモリバンクが不要になり、計算リソースの節約とトレーニング効率の向上が見られる。
- また、エンコーダー間の差異が減少するため、学習の安定性が向上し、モデルの性能が向上することが示されている (図11cに対応)。

**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。**

| アプローチ | 使用技術 | 特徴 | メリット | デメリット |
|---|---|---|---|---|
| メモリバンク | サンプルの特徴表現を保持 | 負のサンプルを大量に確保可能 | 計算コストが高い、更新頻度が多い | 
| モメンタムエンコーダー | モメンタム更新、キューとしての辞書 | エンコーダー間の差異を減少、メモリバンク不要 | 計算・メモリ効率が高い | モメンタム係数のチューニングが必要 |

**⑩ 図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。**

- **図11c**: モメンタムエンコーダーを用いたアーキテクチャの概要を示している。クエリエンコーダーQとモメンタムエンコーダーのパラメータ共有およびキューの更新方法を視覚的に表現しており、この手法がメモリバンクを不要にしている点を示す。

**⑪ 関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。**

| 参照番号 | 概要説明 |
|---|---|
| [14] | モメンタムエンコーダーの更新方式について説明した手法。エンコーダー間の差異を最小化し、学習の安定性を向上させる。 |

##   3.4 Clustering Feature Representations

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
3.4 Clustering Feature Representations
All three architectures explained above focus on comparing samples using a similarity metric and try to keep similar
items closer and dissimilar items far from each other allowing the model to learn better representations. On the
contrary, this architecture follows an end-to-end approach with two encoders that share parameters, but instead of using
instance-based contrastive approach, they utilize a clustering algorithm to group similar features together.
One of the most recent works that employ clustering methods, SwAV [13 ] is represented in figure 14. The diagram
points out the differences between other instance-based contrastive learning architectures and the clustering-based
methods. Here, the goal is not only to make a pair of samples close to each other but also, make sure that all other
features that are similar to each other form clusters together. For example, in an embedded space of images, the features
of cats should be closer to the features of dogs (as both are animals) but should be far from the features of houses (as
both are distinct).
In instance-based learning, every sample is treated as a discrete class in the dataset. This makes it unreliable in
conditions where it compares an input sample against other samples from the same class that the original sample
belongs to. To explain it clearly, imagine we have an image of a cat in the training batch that is the current input to the
model. During this pass, all other images in the batch are considered as negative. The issue arises when there are images
of other cats in the negative samples. This condition forces the model to learn two images of cats as not similar during
training despite both being from the same class. This problem is implicitly addressed by a clustering-based approach.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

**3.4 Clustering Feature Representations**  
- これは、サンプルを比較する類似性メトリックを用いた従来のアプローチではなく、クラスタリングアルゴリズムを使用して類似した特徴をまとめるアーキテクチャに関する記載である。
- SwAVという最先端のクラスタリング手法を例に挙げ、従来のインスタンスベースのコントラスト学習との違いを説明している。

**要旨**:
- クラスタリングを使用したアーキテクチャでは、インスタンスベースの比較ではなく、特徴をグループ化して学習する。
- 同様の特徴を持つサンプル同士をまとめ、クラスターを形成することで、学習の精度を高める。
- 従来のインスタンスベースの学習では、同じクラスのサンプルが誤って区別される問題があったが、クラスタリングアプローチではこの問題が解決される。

**② 具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。**

- このアーキテクチャでは、2つのパラメータを共有するエンコーダを使用するが、インスタンスベースのコントラスト学習ではなく、クラスタリングアルゴリズムを採用する。
- SwAV (Swapping Assignments between Multiple Views) というクラスタリング手法を使用し、特徴空間内で似た特徴を持つデータをクラスターにまとめる。
- 特徴空間において、例えば、猫の画像と犬の画像は同じクラスター内に含まれ、異なるクラス（例：家の画像）とは距離を置くように学習する。
- このアーキテクチャでは、インスタンスごとに別個のクラスとして処理するのではなく、同じクラスのサンプル間で似た特徴を持つものをグループ化する。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。**

- インスタンスベースの学習では、同じクラスに属するサンプルを異なるクラスとして処理する誤りが発生するが、クラスタリングベースのアプローチでは、この問題が解消される点が大きな改良点である。
- SwAVの手法では、複数のビュー間でサンプルの割り当てを交換する「Swapping Assignments」という技術を使用しており、これにより同様の特徴を持つサンプルを効率的にグループ化できる。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。**

- クラスタリングベースのアプローチは、特徴空間内でのサンプルの類似性を利用して、同じクラスに属するサンプルをクラスター化する。このため、インスタンスベースのアプローチに比べて、同じクラス内のサンプルが不正確に区別される問題が解決される。
- SwAVでは、インスタンス間での比較ではなく、複数のサンプル間でのグループ化を行うため、同様の特徴を持つサンプルが自然に集まる。

**⑤ 性能が向上した記載があれば説明下さい。**

- クラスタリングベースのアプローチは、インスタンスベースの学習よりも同じクラス内での誤った比較を減少させ、学習の安定性と精度を向上させる (図14に対応)。
- SwAVは特に、クラスター形成を通じて、同様の特徴を持つサンプル間の相互関係をより適切に学習できるため、より優れた特徴表現を獲得できる。

**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。**

| アプローチ | 使用技術 | 特徴 | メリット | デメリット |
|---|---|---|---|---|
| インスタンスベース学習 | サンプル間の類似性メトリック | 各サンプルを別個のクラスとして扱う | 簡単な実装 | 同じクラスのサンプルを誤って区別する可能性がある |
| クラスタリングベース学習 | SwAV (クラスタリング) | 類似した特徴を持つサンプルをグループ化 | クラスター化により、同様のサンプルを適切に扱う | クラスタリングアルゴリズムの選択と実装が複雑 |

**⑩ 図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。**

- **図14**: SwAVを用いたクラスタリングベースのアーキテクチャの違いを視覚的に説明している。従来のインスタンスベースのコントラスト学習との違いを示し、クラスタリングによって同様の特徴を持つサンプルがどのようにグループ化されるかを強調している。

**⑪ 関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。**

| 参照番号 | 概要説明 |
|---|---|
| [13] | SwAV (Swapping Assignments between Multiple Views) を使用したクラスタリング手法を説明している。類似した特徴を持つサンプルをクラスター化し、インスタンスベース学習の欠点を克服する。 |

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/22da60e9-9b1d-cb0a-fda8-a8056d5efdc8.png)

##   4 Encoders

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
4 Encoders
Encoders play an integral role in any self-supervised learning pipeline as they are responsible for mapping the input
samples to a latent space. Figure 15 reflects the role of an encoder in a self-supervised learning pipeline. Without
effective feature representations, a classification model might have difficulty in learning to distinguish among different
classes. Most of the works in contrastive learning utilize some variant of the ResNet [ 41] model. Among its variants,
ResNet-50 has been the most widely used because of its balance between size and learning capability.
In an encoder, the output from a specific layer is pooled to get a single-dimensional feature vector for every sample.
Depending on the approach, they are either upsampled or downsampled. For example, in the work proposed by Misra
et. al. [ 17], a ResNet-50 architecture is used where the output of the res5 (residual block) features are average-pooled to
get a 2048-dimensional vector for the given sample (image in their case). They further apply a single linear projection
to get a 128-dimensional feature vector. Also, as part of their ablation test, they investigated features from various
stages such as res2, res3, and res4 to evaluate the performance. As expected, features extracted from the later stages of
the encoder proved to be a better representation of the input than the features extracted from the earlier stages.
Similarly, in the work proposed by Chen et. al. [ 42 ], a traditional ResNet is used as an encoder where the features are
extracted from the output of the average pooling layer. Further, a shallow MLP (1 hidden layer) maps representations
to a latent space where a contrastive loss is applied. For training a model for action recognition, the most common
approach to extract features from a sequence of image frames is to use a 3D-ResNet as encoder [22, 24].

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

**4 Encoders**  
- このセクションは、自己教師あり学習パイプラインにおけるエンコーダの役割と、主にResNetアーキテクチャに基づくエンコーダの使用について説明している。

**要旨**:
- エンコーダは、入力サンプルを潜在空間にマッピングする役割を担う。
- 効果的な特徴表現がない場合、分類モデルは異なるクラスを区別するのが難しくなる。
- ResNetの様々なバリアントがコントラスト学習で広く使われており、特にResNet-50がよく使用されている。
- エンコーダの特定の層から得られる出力はプーリングされ、サンプルごとに一次元の特徴ベクトルに変換される。
- 研究によっては、これらの特徴ベクトルをさらなる線形投影によって次元削減し、コントラスト学習に使用することがある。

**② 具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。**

- ResNet-50のアーキテクチャがよく使用されており、その中でres5層の特徴が平均プーリングされて2048次元の特徴ベクトルが得られる (Misra et al. [17])。
- 得られた2048次元のベクトルは、単一の線形投影を使用して128次元に変換される。
- Ablationテストでは、res2、res3、res4など、他の層から得られる特徴も評価され、後段の層から抽出された特徴の方が、入力をよりよく表現することが示された。
- Chen et al. [42] による研究では、従来のResNetをエンコーダとして使用し、平均プーリング層から得られた特徴を浅いMLP（1層の隠れ層）で潜在空間にマッピングし、そこでコントラスト損失を適用した。
- アクション認識のモデルを訓練するためには、3D-ResNetがエンコーダとして最も一般的に使用されている (e.g., [22, 24])。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。**

- Misra et al. [17] の研究では、エンコーダの異なる層から特徴を抽出し、それらを比較して性能を評価するAblationテストを行っている。これにより、どの層の特徴がより優れた表現力を持つかを検証している点が工夫点である。
- Chen et al. [42] による研究では、特徴抽出後に浅いMLPを用いて、より適切な潜在空間へマッピングを行う点が特徴的である。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。**

- ResNetアーキテクチャの後段の層（例えばres5）の特徴がより優れた表現力を持つ理由は、より多くの情報を抽出するためにより深い層がデータの複雑な特徴を学習するからである。これにより、入力サンプルの特徴がより豊かに表現され、モデルの性能が向上する。

**⑤ 性能が向上した記載があれば説明下さい。**

- Misra et al. [17] の研究では、エンコーダの後段の層（res5）から特徴を抽出した場合、より早期の層（res2, res3, res4）と比較して性能が向上した (具体的な数値は記載なし)。
- Chen et al. [42] の手法では、エンコーダの平均プーリング層から抽出した特徴を浅いMLPにマッピングし、コントラスト損失を適用することで学習の精度が向上した (図15に対応)。

**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。**

| 研究 | 使用アーキテクチャ | 特徴抽出の層 | 特徴ベクトルの次元 | 特徴変換手法 | 主な発見 |
|---|---|---|---|---|---|
| Misra et al. [17] | ResNet-50 | res5 | 2048次元 | 平均プーリングと線形投影で128次元に変換 | 後段の層の特徴がより優れた表現を提供 |
| Chen et al. [42] | ResNet | 平均プーリング層 | - | 浅いMLPで潜在空間へマッピング | コントラスト損失で精度向上 |
| アクション認識 | 3D-ResNet | シーケンス | - | - | 動画像フレームから特徴を抽出 |

**⑩ 図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。**

- **図15**: 自己教師あり学習パイプラインにおけるエンコーダの役割を示している。この図は、エンコーダが入力サンプルをどのように潜在空間にマッピングし、効果的な特徴表現を学習するかを説明するために使用されている。

**⑪ 関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。**

| 参照番号 | 概要説明 |
|---|---|
| [17] | Misra et al. によるResNet-50を使用した研究で、特徴ベクトルの抽出と線形投影を行い、後段層の特徴がより優れた表現を提供することを示した。 |
| [22, 24] | アクション認識のために、3D-ResNetをエンコーダとして使用し、動画像フレームから特徴を抽出する手法を提案。 |
| [41] | ResNetアーキテクチャに関する基本的な説明。多くのコントラスト学習で使用されている。 |
| [42] | Chen et al. による研究で、ResNetを使用し、浅いMLPを用いてコントラスト損失を適用した手法を紹介。 |

##   5 Training

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
5 Training
To train an encoder, a pretext task is used that utilizes contrastive loss for backpropagation. The central idea in
contrastive learning is to bring similar instances closer and push away dissimilar instances far from each other. One
way to achieve this is to use a similarity metric that measures the closeness between the embeddings of two samples.
In a contrastive setup, the most common similarity metric used is cosine similarity that acts as a basis for different
contrastive loss functions. The cosine similarity of two variables (vectors) is the cosine of the angle between them and
is defined as follows:
cos_sim(A, B) = A.B
‖A‖‖B‖ (2)
Contrastive learning focuses on comparing the embeddings with a Noise Contrastive Estimation (NCE) [ 43 ] function
that is defined as follows:
LN CE = −log exp(sim(q, k+)/τ )
exp(sim(q, k+)/τ ) + exp(sim(q, k_)/τ ) (3)
where q is the original sample, k+ represents a positive sample, and k_ represents a negative sample. τ is a hyperparam-
eter used in most of the recent methods and is called temperature coefficient. The sim() function can be any similarity
function, but generally a cosine similarity as defined in equation 2 is used. The initial idea behind NCE was to perform
a non-linear logistic regression that discriminates between observed data and some artificially generated noise.
If the number of negative samples is greater, a variant of NCE called InfoNCE is used as represented in equation 4. The
use of L2 normalization (i.e. cosine similarity) and the temperature coefficient, effectively weighs different examples
and can help the model learn from hard negatives.
Linf oN CE = −log exp(sim(q, k+)/τ )
exp(sim(q, k+)/τ ) + ∑K
i=0 exp(sim(q, ki)/τ ) (4)
where ki represents a negative sample.
Similar to other deep learning methods, contrastive learning employs a variety of optimization algorithms for training.
The training process involves learning the parameters of encoder network by minimizing the loss function.
Stochastic Gradient Descent (SGD) has one of the most popular optimization algorithms used with contrastive learning
methods [ 17 , 14 , 10 , 12 ]. It is an stochastic approximation of gradient descent optimization since it replaces the actual
gradient (calculated from the entire data set) by an estimate calculated from a randomly selected subset of data. A
crucial hyperparameter for the SGD algorithm is the learning rate which in practice should gradually be decreased over
time. An improved version of SGD (with momentum) is used in most deep learning approaches.
Another popular optimization method known as adaptive learning rate optimization algorithm (Adam) [ 44 ] has been
used in a few methods [21 , 45 , 46]. In Adam, momentum is incorporated directly as an estimate of the first-order
moment. Furthermore, Adam includes bias corrections to the estimates of both the first-order moments and the
second-order moments to account for their initialization at the origin.
Since some of the end-to-end methods [ 15, 47 , 13 ] use a very large batch size, training with standard SGD-based
optimizers with a linear learning rate scaling becomes unstable. In order to stabilize the training, Layer-wise Adaptive
Rate Scaling (LARS) [ 48 ] optimizer along with cosine learning rate [ 49 ] was introduced. There are two main differences
between LARS and other adaptive algorithms such as Adam. First, LARS uses a different learning rate for every layer
that leads to better stability. Second, the magnitude of the update is based on the weight norm for better control of
training speed. Furthermore, employing cosine learning rate involves periodically warm restarts of SGD, where in each
restart, the learning rate is initialized to some value and is scheduled to decrease over time.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

**5 Training**  
- このセクションは、自己教師あり学習におけるエンコーダの訓練方法と、そのために使用される損失関数や最適化アルゴリズムについて説明している。

**要旨**:
- エンコーダの訓練は、コントラスト損失を用いてバックプロパゲーションを行い、類似するサンプルを近づけ、異なるサンプルを遠ざけるという原理に基づいている。
- コントラスト学習で最もよく使用される類似度指標はコサイン類似度であり、これを用いて損失関数が定義される。
- Noise Contrastive Estimation (NCE) やその派生であるInfoNCEが、負のサンプル数に応じて使用される。
- 訓練にはSGDやAdamといった最適化アルゴリズムが使用され、特に大規模バッチサイズを伴う場合にはLARSなどの特別なオプティマイザが使われる。

**② 具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。**

- コントラスト学習においては、エンコーダの訓練時に「正のサンプル」と「負のサンプル」を使って、類似度を高めるようにモデルを調整する。最も一般的な類似度指標は**コサイン類似度**で、2つのベクトルのなす角度の余弦によって計算される。

  $
  \text{cos_sim}(A, B) = \frac{A \cdot B}{\|A\| \|B\|}
  $

- Noise Contrastive Estimation (NCE) 損失は、正のサンプル $k^+$ と負のサンプル $k^-$ の類似度を基にして定義される。NCEは、非線形ロジスティック回帰を通じて、観測データと人工的に生成されたノイズを識別する目的で設計された。損失関数は以下の通りである。

  $
  L_{NCE} = -\log \frac{\exp(\text{sim}(q, k^+)/\tau)}{\exp(\text{sim}(q, k^+)/\tau) + \exp(\text{sim}(q, k^-)/\tau)}
  $

  - $q$: 元のサンプル  
  - $k^+$: 正のサンプル  
  - $k^-$: 負のサンプル  
  - $\tau$: 温度係数

- 負のサンプル数が多い場合には、InfoNCEというNCEの派生が使用され、損失関数は次のように定義される。

  $
  L_{InfoNCE} = -\log \frac{\exp(\text{sim}(q, k^+)/\tau)}{\exp(\text{sim}(q, k^+)/\tau) + \sum_{i=0}^{K} \exp(\text{sim}(q, k_i)/\tau)}
  $

  - $k_i$: 各負のサンプル

- 最適化には**Stochastic Gradient Descent (SGD)**がよく使用される。SGDは、ランダムに選択されたデータのサブセットから推定された勾配を用いることで、計算の効率化を図っている。SGDの学習率は訓練が進むにつれて減少させる必要がある。  
- Adam [44] も一部の手法で使用されており、1次モーメント（平均）の推定にモメンタムを直接取り入れたものになっている。また、Adamでは初期化の偏りを補正するため、1次モーメントおよび2次モーメントの推定値にバイアス補正が行われる。
- 非常に大きなバッチサイズを使用する場合には、LARS (Layer-wise Adaptive Rate Scaling) [48] オプティマイザが使用され、これにより各層ごとに異なる学習率が適用される。さらに、**コサイン学習率**を使って訓練の安定性が向上し、訓練が定期的にリスタートされる。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。**

- **InfoNCE**は、負のサンプル数が多い場合に有効であり、L2正規化（コサイン類似度）と温度係数を組み合わせて、モデルが「ハードネガティブ（難しい負例）」から学習できるようにする工夫がされている。
- **Adam**アルゴリズムは、モメンタムを直接的に取り入れ、1次モーメントと2次モーメントの推定にバイアス補正を適用することで、より安定した最適化を可能にしている点が改良点である。
- **LARS**オプティマイザは、層ごとに異なる学習率を適用し、バッチサイズが非常に大きい場合でも訓練を安定させることができる。また、コサイン学習率と組み合わせることで、定期的なリスタートによって効率的な訓練が実現される。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。**

- **NCE**では、元々観測データとノイズを識別するために設計された非線形ロジスティック回帰を使用しており、これがコントラスト学習においても有効である理由は、正のサンプルと負のサンプルを明確に区別することで、表現学習が効果的に行われるためである。
- **LARS**が各層に異なる学習率を適用することで、重みのノルムに基づいた更新量の制御が可能となり、特に非常に大きなバッチサイズに対して安定した訓練が可能になるメカニズムが存在する。
- **温度係数**（$\tau$）の導入は、サンプル間の距離の差異を調整するためであり、ハードネガティブに対する影響を強化する。

**⑤ 性能が向上した記載があれば説明下さい。**

- **LARS**と**コサイン学習率**の組み合わせにより、大規模バッチサイズでの訓練が安定化し、従来のSGDに比べて効率的な訓練が可能になった (具体的な数値は記載なし)【図表番号は未記載】。

:::note info
※InfoNCEは、分類問題で用いるクロスエントロピー(softmaxでの-logP)とほとんど同じ形。
:::

**▼質問(人間)**
続けて下記の質問に追加で回答下さい:
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑦上記⑥以外で表に出来そうな部分があれば表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば記載)
⑨具体的な変数名(数式用の記号)の記載を全て列挙して、表にまとめて下さい。(|変数名|説明|次元・型|の表へ)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。**

| 方法名               | 特徴・使用目的                                             | 主な違い                                                  |
|----------------------|------------------------------------------------------------|-----------------------------------------------------------|
| **SGD (Stochastic Gradient Descent)** | ランダムなデータサブセットを使用した勾配降下法                  | 学習率は徐々に減少させる必要がある。モメンタムを加えた改良版がよく使われる。|
| **Adam**              | モメンタムを1次モーメントとして組み込む最適化アルゴリズム             | モメンタムとバイアス補正が含まれており、より安定した最適化が可能。          |
| **LARS**              | 各層ごとに異なる学習率を使用し、コサイン学習率と組み合わせることで訓練を安定化 | バッチサイズが非常に大きい場合でも訓練を安定させるための手法。             |

**解説**: SGDは、比較的単純でよく使われる最適化手法であるが、AdamやLARSのような手法は、より複雑で多層のモデルや大規模バッチサイズに対応できる点が大きな違いである。特に、LARSは層ごとに異なる学習率を適用することで、訓練の安定性を高めている。

**⑦ 上記⑥以外で表に出来そうな部分があれば表でまとめて下さい。**

| 損失関数           | 定義                                                         | 使用状況                                                 |
|--------------------|--------------------------------------------------------------|----------------------------------------------------------|
| **NCE (Noise Contrastive Estimation)** | 観測データとノイズを区別するための非線形ロジスティック回帰を使用した損失関数 | 正のサンプルと負のサンプルを区別するために使用される。           |
| **InfoNCE**         | NCEの拡張版で、負のサンプル数が多い場合に使用する                | 負のサンプルが多い場合に、L2正規化と温度係数を使用してモデルが学習する。 |

**解説**: NCEとInfoNCEはどちらもコントラスト学習で使用される損失関数であり、負のサンプル数の違いに応じて使い分けられる。InfoNCEでは、L2正規化と温度係数が導入されているため、特に「ハードネガティブ」からの学習が重要な場合に有効である。

**⑨ 具体的な変数名 (数式用の記号) の記載を全て列挙して、表にまとめて下さい。**

| 変数名       | 説明                              | 次元・型           |
|--------------|-----------------------------------|-------------------|
| $ q $      | 元のサンプル                        | ベクトル           |
| $ k^+ $    | 正のサンプル                        | ベクトル           |
| $ k^- $    | 負のサンプル                        | ベクトル           |
| $ k_i $    | 負のサンプルの1つ                   | ベクトル           |
| $ \tau $   | 温度係数                            | スカラー           |
| $ \text{sim}(q, k^+) $ | $ q $ と $ k^+ $ との類似度  | コサイン類似度      |
| $ \text{sim}(q, k_i) $ | $ q $ と $ k_i $ との類似度  | コサイン類似度      |

**⑩ 図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。**

無し。

**⑪ 関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。**

| 参照番号 | 概要説明                                                   |
|----------|------------------------------------------------------------|
| [17]     | SGDを使用したコントラスト学習の関連研究                      |
| [14]     | SGDの使用に関する研究                                        |
| [10]     | SGDを使用した最適化に関する研究                              |
| [12]     | SGDの改良に関する研究                                        |
| [43]     | Noise Contrastive Estimation (NCE) の提案研究                 |
| [44]     | Adam最適化アルゴリズムの提案研究                             |
| [21]     | Adamの使用に関する研究                                       |
| [45]     | Adamの適用に関する研究                                       |
| [46]     | Adam最適化の使用例                                            |
| [15]     | 大規模バッチサイズを使用する手法に関する研究                  |
| [47]     | 大規模バッチサイズに対応する最適化手法に関する研究             |
| [13]     | 大規模バッチサイズを用いた訓練方法に関する研究                 |
| [48]     | LARSオプティマイザの提案研究                                  |
| [49]     | コサイン学習率の導入に関する研究                              |

##   6 Downstream Tasks
###   6.1 Visualizing Kernels and Feature Maps
###   6.2 Nearest Neighbor retrieval

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
6 Downstream Tasks
Generally, computer vision pipelines that employ self-supervised learning involve performing two tasks: a pretext task
and a downstream task. Downstream tasks are application-specific tasks that utilize the knowledge that was learned
during the pretext task. They can be anything such as classification, detection, segmentation, future prediction, etc. in
computer vision. Once example of downstream task can be hand gesture classification [ 55 ] that involves both object
detection and classification. Figure 17 represents the overview of how knowledge is transferred to a downstream task.
The learned parameters serve as a pretrained model and are transferred to other downstream computer vision tasks
by fine-tuning. The performance of transfer learning on these high-level vision tasks demonstrates the generalization
ability of the learned features.
To evaluate the effectiveness of features learned with a self-supervised approach for downstream tasks, methods such as
kernel visualization, feature map visualization, nearest-neighbor based approaches are commonly used to analyze the
effectiveness of the pretext task.
6.1 Visualizing Kernels and Feature Maps
Here, the kernels of the first convolutional layer from encoders trained with both self-supervised (contrastive) and
supervised approaches are compared. This helps to estimate the effectiveness of the self-supervised approach [56 ].
Similarly, attention maps generated from different layers of the encoders can be used to evaluate if an approach works
or not. Gidaris et. al. [ 57 ] assessed the effectiveness based on the activated regions observed in the input as shown in
figure 18.
6.2 Nearest Neighbor retrieval
In general, the samples that belong to the same class are expected to be closer to each other in the latent space. With the
nearest neighbor approach, for a given input sample, top-K retrieval of the samples from the dataset can be used to
analyze whether a self-supervised approach performs as expected or not.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

この章は、自己教師あり学習（self-supervised learning）で学習された特徴を使用して行われる**下流タスク（downstream tasks）**について記載している。具体的な要旨は以下の通りである:
- 下流タスクは、事前タスク（pretext task）で学習された知識を応用するためのタスクであり、分類、検出、セグメンテーションなどのコンピュータビジョンのアプリケーションに使用される。
- 事前学習されたモデルのパラメータは、下流タスクにおいてファインチューニングされて利用される。
- 下流タスクでの性能は、学習された特徴の汎化能力を示す。
- 特徴の効果を評価するために、カーネル可視化、特徴マップ可視化、最近傍探索が用いられる。

**② 具体的な処理方法の記載**

- **カーネルと特徴マップの可視化**: 自己教師あり学習と教師あり学習の両方でトレーニングされたエンコーダーの最初の畳み込み層のカーネルを比較し、自己教師ありアプローチの有効性を評価する。特に、エンコーダーの異なる層から生成されたアテンションマップを使用して、入力画像の活性化領域を評価する。
  - 例: Gidarisら [57] は、入力で観察された活性化領域に基づいて、アプローチの有効性を評価している。

- **最近傍探索**: 同じクラスに属するサンプルは、潜在空間で互いに近接していることが期待される。ある入力サンプルに対して、データセットからサンプルのトップKの近傍を取得し、自己教師ありアプローチが期待通りの動作をしているかを分析する。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載**

- **カーネル可視化と特徴マップの使用**: 自己教師あり学習の有効性を評価するために、モデルの最初の畳み込み層のカーネルと、エンコーダーの複数層にわたるアテンションマップを使用している。このアプローチは、自己教師ありアプローチと教師ありアプローチの直接的な比較を可能にし、どの手法が効果的かを視覚的に評価できる。
- **最近傍探索の使用**: 近傍探索によって、潜在空間でのデータの分布が適切かどうかを評価することで、学習された特徴の品質を定量的に評価できる。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載**

- 自己教師あり学習では、入力データの異なる側面を捉えることが目的であり、事前タスクで学習された特徴が下流タスクに適用される。下流タスクでのパフォーマンスは、学習された特徴がどれだけ汎化可能かを示している。特徴マップやカーネルの可視化を通じて、モデルがどのように入力データに対して反応しているかを視覚的に理解することができる。

**⑤ 性能が向上した記載があれば説明下さい**

性能向上に関する具体的な数値の記載は無し。

**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。**

| 評価手法                         | 内容                                    | 主な違い                               |
|-----------------------------------|-----------------------------------------|----------------------------------------|
| カーネル可視化と特徴マップ        | 畳み込み層のカーネルとアテンションマップを可視化して評価 | 自己教師あり学習と教師あり学習の視覚的な比較が可能 |
| 最近傍探索                        | クラス内でサンプルが近接しているかを評価  | 潜在空間でのデータの分布を定量的に評価 |

**⑩ 図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい**

- **Figure 17**: 事前タスクから学習された知識をどのように下流タスクに転移するかの概要を示している。注目すべきは、事前学習されたパラメータがどのように再利用され、ファインチューニングされるかである。
- **Figure 18**: 入力画像における活性化領域を示し、自己教師ありアプローチの有効性を評価している。

**⑪ 関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい**

| 参照番号 | 概要説明                                                      |
|----------|---------------------------------------------------------------|
| [55]     | 手のジェスチャ分類における下流タスクの例についての研究         |
| [56]     | 自己教師あり学習の効果をカーネル可視化を用いて評価した研究      |
| [57]     | 入力画像の活性化領域を基に有効性を評価したGidarisらの研究        

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/1df9cfec-19e8-4bf1-abdd-0acc8752b99c.png)

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/e4c233d5-aa0c-600f-2880-e79fa5507bfc.png)

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/57a8ee12-3f6e-70a8-209a-7471f024622f.png)

##   7 Benchmarks

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
7 Benchmarks
Recently, several self-supervised learning methods for computer vision tasks have been proposed that challenge the
existing state-of-the-art supervised models. In this section, we collect and compare the performances of these methods
based on the downstream tasks they were evaluated on. For image classification, two popular datasets ImageNet
[16 ] and Places [ 58 ] have been used by most of the methods. Similarly, for object detection, Pascal VOC dataset has
often been referred to for evaluation where these methods have outperformed the best supervised models. For action
recognition and video classification, datasets such as UCF-101 [ 59], HMDB-51 [60], and Kinetics [ 61] have been used.
Table 1 highlights the performance of several methods on ImageNet and reflects how these methods have evolved and
performed better with time. At the moment, as seen in figure 3, SwAV [ 13 ] produces comparable accuracy to the
state-of-the-art supervised model in learning image representations from ImageNet. Similarly, for image classification
task on Places [58 ] dataset, SwAV [13] and AMDIM [ 37 ] have outperformed top supervised models with higher top-1
accuracies as shown in table 3. The methods shown in the table were first pretrained on ImageNet and later inferred on
Places dataset using a linear classifier. The results advocate that representations learned by contrastive learning methods
performed better than the supervised approach when tested on a different dataset.
These methods have not only excelled in image classification but also have performed well on other tasks like object
detection and action recognition. As shown in table 3, SwAV [ 13 ] outperforms the state-of-the-art supervised model in
both linear classification and object detection in the Pascal VOC7 dataset. For linear classification, the models shown in
the table were pretrained on VOC7 and features were taken for training a linear classification model. Similarly, for
object detection, models were finetuned on VOC7+12 using Faster-RCNN. For video classification tasks, contrastive
learning methods have shown promising results in datasets like UCF101, HMDB51, and Kinetics as reflected by table 4.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

この章は、コンピュータビジョンにおける自己教師あり学習法のパフォーマンスを**ベンチマーク**として評価し、既存の教師あり学習モデルとの比較を行っている。主要なデータセットを用いて、画像分類、物体検出、アクション認識、ビデオ分類などの下流タスクでのパフォーマンスを比較している。要旨は以下の通りである:
- 近年提案された自己教師あり学習法が、既存の教師ありモデルに挑戦している。
- ImageNetやPlacesなどのデータセットを用いた画像分類タスクで、SwAV [13] やAMDIM [37] が高い性能を発揮している。
- Pascal VOCデータセットでの物体検出タスクでも、SwAV [13] が最先端の教師ありモデルを超えるパフォーマンスを示している。
- UCF-101やHMDB-51、Kineticsといったデータセットを用いたアクション認識・ビデオ分類でも優れた結果が得られている。

**② 具体的な処理方法の記載**

- **画像分類タスク**: ImageNetとPlacesデータセットが使用され、多くの自己教師あり学習手法は事前にImageNetで学習され、その後Placesで線形分類器を用いて推論が行われた（表3参照）。SwAVやAMDIMなどの自己教師あり手法が教師あり学習手法よりも高いTop-1精度を達成している。
- **物体検出タスク**: Pascal VOCデータセットを用いて、事前学習されたモデルが線形分類タスクと物体検出タスクで評価された。物体検出では、Faster-RCNNを使用してVOC7+12でファインチューニングが行われた（表3参照）。
- **ビデオ分類タスク**: UCF101、HMDB51、Kineticsといったデータセットで自己教師あり手法がテストされ、優れた結果が得られている（表4参照）。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載**

- **SwAVやAMDIMの導入**: SwAVは教師あり学習と同等の精度を達成し、さらに複数のタスク（画像分類、物体検出、ビデオ分類）で最先端のパフォーマンスを発揮している。AMDIMも他の自己教師あり手法と比較して高い精度を示している。
- **線形分類器の使用**: 事前学習されたモデルを使用し、線形分類器で他のデータセット（Placesなど）に転移することで、異なるデータセット間での汎化能力を評価している。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載**

- 自己教師あり学習は、事前にラベル付けされていない大量のデータから特徴を抽出し、それを様々な下流タスクに適用するため、汎化能力に優れていると考えられている。特にSwAVのような手法は、データの内部構造を効果的に学習し、その後のタスクでも優れた性能を発揮する。

**⑤ 性能が向上した記載があれば説明下さい**

- SwAVはImageNetにおける画像表現学習で、最先端の教師ありモデルに匹敵する精度を達成している（Figure 3）。
- SwAVやAMDIMは、Placesデータセットにおける画像分類で、教師ありモデルを超えるTop-1精度を示している（Table 3）。
- Pascal VOC7+12データセットにおける物体検出タスクでも、SwAVが最先端の教師ありモデルを上回る結果を示している（Table 3）。
- UCF101やHMDB51、Kineticsのビデオ分類タスクにおいても、コントラスト学習手法が有望な結果を示している（Table 4）。

**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。**

| 手法      | タスク            | データセット    | 精度 / パフォーマンス | 備考                                | 図/表番号 |
|-----------|-------------------|-----------------|----------------------|-------------------------------------|-----------|
| SwAV [13] | 画像分類          | ImageNet        | 教師あり学習と同等    | 事前学習モデルによる性能向上        | Figure 3  |
| SwAV [13] | 画像分類          | Places          | Top-1精度向上         | 教師ありモデルを超える              | Table 3   |
| AMDIM [37]| 画像分類          | Places          | Top-1精度向上         | 教師ありモデルを超える              | Table 3   |
| SwAV [13] | 物体検出          | Pascal VOC7+12  | 高精度                | 物体検出タスクでも優れた結果        | Table 3   |
| コントラスト学習 | ビデオ分類      | UCF101, HMDB51 | 優れたパフォーマンス  | 自己教師あり学習が有望であることを示す | Table 4   |

**⑩ 図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい**

- **Figure 3**: SwAVがImageNetデータセットでの画像表現学習において、最先端の教師ありモデルと比較して同等の精度を達成していることを示している。これは自己教師あり学習の有効性を強調している。
- **Table 3**: PlacesデータセットにおけるSwAVやAMDIMのTop-1精度の向上を示している。自己教師あり学習手法が教師ありモデルを超えるパフォーマンスを発揮していることを強調している。
- **Table 4**: UCF101やHMDB51、Kineticsデータセットにおけるビデオ分類タスクでのコントラスト学習手法の優れたパフォーマンスを示している。これは自己教師あり学習がビデオ分類にも有効であることを示している。

**⑪ 関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい**

| 参照番号 | 概要説明                                                           |
|----------|--------------------------------------------------------------------|
| [13]     | SwAVに関する研究であり、自己教師あり学習法のベンチマークで使用       |
| [16]     | ImageNetデータセットに関する研究                                     |
| [37]     | AMDIMに関する研究であり、自己教師あり学習法のベンチマークで使用     |
| [58]     | Placesデータセットに関する研究                                     |
| [59]     | UCF-101データセットに関する研究                                    |
| [60]     | HMDB-51データセットに関する研究                                   |
| [61]     | Kineticsデータセットに関する研究                                   |

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/2090ba9c-e351-07fd-7dac-19dc81293100.png)

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/3d54dc57-6764-5e4c-b242-49683a925f58.png)

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/b9605047-088f-d2a8-2d30-8b29652557a7.png)

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/33487a07-9491-3ba8-7697-1bb3a94d6bc2.png)

##   8 Contrastive Learning in NLP

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
8 Contrastive Learning in NLP
Contrastive learning was first introduced by Mikolov et. al.[ 78] for natural language processing in 2013. The authors
proposed a contrastive learning-based framework by using co-occurring words as semantically similar points and
negative sampling[ 79 ] for learning word embeddings. Negative sampling algorithm differentiates a word from the
noise distribution using logistic regression and helps to simplify the training method. This framework results in huge
improvement in the quality of representations of learned words and phrases in a computationally efficient way. Arora et
al.[80 ] proposed a theoretical framework for contrastive learning that learns useful feature representations from unlabeled
data and introduced latent classes to formalize the notion of semantic similarity and performs well on classification
tasks using the learned representations. Its performance is comparable to the state-of-the-art supervised approach on the
Wiki-3029 dataset. Another recent model, CONtrastive Position and Ordering with Negatives Objective(CONPONO)
[ 81 ] discourses coherence and encodes fine-grained sentence ordering in text and outperforms BERT-Large model
despite having the same number of parameters as BERT-Base.
Contrastive Learning has started gaining popularity on several NLP tasks in the recent years. It has shown significant
improvement on NLP downstream tasks such as cross-lingual pre-training [ 82 ], language understanding [ 83 ], and textual
representations learning [84 ]. INFOXLM [82], a cross-lingual pretraining model, proposes a cross-lingual pretraining
task based on maximizing the mutual information between two input sequences and learns to differentiate machine
translation of input sequences using contrastive learning. Unlike TLM [ 85 ], this model aims to maximize mutual
information between machine translation pairs in cross-lingual platform and improves the cross-lingual transferability
in various downstream tasks, such as cross-lingual classification and question answering. Table 6 shows the recent
contrastive learning methods on NLP downstream task.
Most of the popular language models such as BERT [30], GPT [32 ] approach pretraining on tokens and hence may
not capture sentence-level semantics. To address this issue, CERT [ 83] that pretrains models on the sentence level
using contrastive learning was proposed. This model works in two steps: 1) creating augmentation of sentences using
back-translation, and 2) predicting whether two augmented versions are from the same sentence or not by fine-tuning
a pretrained language representation model (e.g., BERT, BART). CERT was also evaluated on 11 different natural
language understanding tasks in the GLUE benchmark where it outperformed BERT on 7 tasks. DeCLUTR [84 ] is self-
supervised model for learning universal sentence embeddings. This model outperforms InferSent, a popular sentence
encoding method. It has been evaluated based on the quality of sentence embedding on the SentEval benchmark. Table
5 provides the comparison of accuracy on different NLP dataset.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**① 何についての記載か? + 要旨は何?**

この章は、**自然言語処理（NLP）におけるコントラスト学習**に関する内容であり、コントラスト学習の手法がどのようにNLPタスクに適用され、既存の教師ありモデルに匹敵するパフォーマンスを達成しているかを説明している。要旨は以下の通りである:
- コントラスト学習は、Mikolovら[78]が2013年に初めてNLPに導入し、語の共起関係を用いた学習とネガティブサンプリング[79]を利用して単語埋め込みを効率的に学習する手法であった。
- Aroraら[80]は、コントラスト学習の理論的枠組みを提案し、ラベルなしデータから有用な特徴表現を学習する方法を提示した。このモデルは、Wiki-3029データセットで最先端の教師あり手法に匹敵するパフォーマンスを発揮した。
- 最近のCONPONOモデル[81]は文の順序のコヒーレンスを学習し、BERT-Largeを上回る性能を示した。
- INFOXLM[82]やCERT[83]、DeCLUTR[84]といったコントラスト学習ベースのモデルが、言語理解やクロスリンガルなタスクで優れた結果を示している。

**② 具体的な処理方法の記載**

- **Mikolovらの手法**: 語の共起関係を利用してセマンティックに類似した点を定義し、ネガティブサンプリング[79]を用いて雑音分布から単語を区別する。このアルゴリズムは、ロジスティック回帰を使用して訓練手法を簡略化する。
- **INFOXLM**: クロスリンガルな事前学習モデルであり、機械翻訳された入力シーケンス間の相互情報量を最大化し、それを区別するためにコントラスト学習を使用する。このモデルはTLM[85]とは異なり、クロスリンガルプラットフォームにおける転移学習能力の向上を目指している。
- **CERT**: コントラスト学習を用いて文レベルで事前学習を行い、文の拡張（バックトランスレーション）を作成し、2つの拡張が同一文から生成されたかどうかを予測する。このモデルはBERTやBARTなどの事前学習済み言語表現モデルを微調整して用いる。
- **DeCLUTR**: 自己教師あり学習を用いて普遍的な文埋め込みを学習するモデルであり、SentEvalベンチマークで評価され、InferSentを上回るパフォーマンスを示している。

**③ 改良点・工夫点・テクニック等の記載**

- **ネガティブサンプリング**: Mikolovら[79]は、語彙全体を考慮せずに一部の語彙を使用することで、学習の計算コストを大幅に削減している。
- **クロスリンガル転移学習の向上**: INFOXLMは、TLM[85]とは異なり、クロスリンガルタスクでの相互情報量を最大化することにより、転移学習能力を強化している[82]。
- **文レベルの埋め込み学習**: CERT[83]は、文レベルでの学習を強化するため、拡張技術としてバックトランスレーションを導入し、文の意味的コヒーレンスをより深く捉えるための工夫がなされている。

**④ メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載**

- **ネガティブサンプリング**: この技術は、ノイズを効果的に区別することで、単語の意味的類似性を学習するのに役立つ。また、計算コストを抑えつつ、より大規模なデータセットでの効率的な学習が可能になる。
- **相互情報量の最大化**: INFOXLMのように、異なる言語間の翻訳された文同士の相互情報量を最大化することで、クロスリンガルなタスクでのパフォーマンスが向上する。これは、異なる言語間で共通する意味的特徴をよりよく捉えることができるためである。

**⑤ 性能が向上した記載**

- **CONPONO**は、文の順序のコヒーレンスを学習し、BERT-Baseと同数のパラメータを持ちながらBERT-Largeを上回る性能を示している[81]。
- **CERT**は、GLUEベンチマークの11の自然言語理解タスクで評価され、BERTを7つのタスクで上回るパフォーマンスを発揮した[83]。
- **DeCLUTR**は、SentEvalベンチマークで評価され、InferSentを超える結果を得ている[84]。

**⑥ 比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい**

| モデル     | タスク                   | データセット           | 精度 / パフォーマンス | 備考                               | 参照番号 |
|------------|--------------------------|------------------------|----------------------|------------------------------------|----------|
| Mikolov et al. | 単語埋め込み            | -                      | 高品質な単語表現      | ネガティブサンプリング使用          | [78][79] |
| CONPONO    | 文の順序コヒーレンス      | -                      | BERT-Largeを上回る    | BERT-Baseと同数のパラメータ         | [81]     |
| INFOXLM    | クロスリンガルタスク      | -                      | TLMを超える転移学習性能| 相互情報量最大化                   | [82]     |
| CERT       | 自然言語理解              | GLUEベンチマーク        | BERTを7タスクで上回る  | 文レベルでのコントラスト学習を採用  | [83]     |
| DeCLUTR    | 文埋め込み                | SentEvalベンチマーク    | InferSentを上回る     | 自己教師あり学習                   | [84]     |

**⑩ 図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい**

無し

**⑪ 関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい**

| 参照番号 | 概要説明                                                                                                                                          |
|----------|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| [78]     | Mikolovらによるコントラスト学習の導入に関する研究                                                                                                 |
| [79]     | ネガティブサンプリングアルゴリズムに関する研究                                                                                                    |
| [80]     | Aroraらによるコントラスト学習の理論的枠組みを提案する研究                                                                                          |
| [81]     | CONPONOモデルに関する研究であり、文の順序コヒーレンスを学習しBERT-Largeを上回る性能を示している                                                    |
| [82]     | INFOXLMモデルに関する研究であり、クロスリンガルタスクで相互情報量の最大化を行い、TLMを上回る転移学習性能を示している                                |
| [83]     | CERTモデルに関する研究であり、GLUEベンチマークでBERTを7タスクで上回るパフォーマンスを示している                                                     |
| [84]     | DeCLUTRモデルに関する研究であり、SentEvalベンチマークで評価され、InferSentを上回るパフォーマンスを示している                                         |
| [85]     | TLM（Translation Language Modeling）に関する研究であり、クロスリンガルタスクにおいて使用される教師あり学習手法である。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/6727ece5-abf4-1029-b7e7-c02ae370fadf.png)

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/606924/306ded70-460a-0c7c-b358-9da7cbcdf588.png)

:::note info
「⑩図/表」で、表5、表6の記載がされず、不適。
:::

##   9 Discussions and Future Directions

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
9 Discussions and Future Directions
Although empirical results show that contrastive learning has decreased the gap in performance with supervised models,
there is a need for more theoretical analysis to form a solid justification. For instance, a study by Purushwalkam et. al.
9.1 Lack of Theoretical Foundation
In an attempt to investigate the generalization ability of contrastive objective function, the empirical results from Arora
et. al. [ 80] show that architecture design and sampling techniques also have a profound effect on the performance. Tsai
et. al. [87 ] provide an information-theoretical framework from a multi-view perspective to understand the properties
that encourage successful self-supervised learning. They demonstrate that self-supervised learned representations
can extract task-relevant information (with a potential loss) and discard task-irrelevant information (with a fixed gap).
Ultimately, it propels the methods towards being highly dependent on the pretext task chosen during training. This
affirms the need for more theoretical analysis on different modules in a contrastive pipeline.
9.2 Selection of Data Augmentation and Pretext Tasks
PIRL [17 ] emphasizes on methods that produce consistent results irrespective of the pretext task selected, but works like
SimCLR [ 42 ], MoCo-v2 [ 47] and Tian et. al. [ 19 ] demonstrate that selecting robust pretext tasks along with suitable
data augmentations can highly boost the quality of the representations. Recently, SwAV [ 13] beat other self-supervised
methods by using multiple augmentations. It is difficult to directly compare these methods to choose specific tasks and
transformations that can yield the best results on any dataset.
9.3 Proper Negative Sampling during Training
During training, an original (positive) sample is compared against its negative counterparts that contribute towards a
contrastive loss to train the model. In cases of easy negatives (where the similarity between the original sample and a
negative sample is very low), the contribution towards the contrastive loss is minimal. This limits the ability of the
model to converge quickly. To get more meaningful negative samples, top self-supervised methods either increase
the batch sizes [ 15 ] or maintain a very large memory bank [17]. Recently, Kalantidis et. al. [88 ] proposed a few
hard negative mixing strategies to facilitate faster and better learning. However, this introduces a large number of
hyperparameters that are specific to the training set and are difficult to generalize for other datasets.
9.4 Dataset Biases
In any self-supervised learning task, the data itself provides supervision. In effect, the representations learned using
self-supervised objectives are influenced by the underlying data. Such biases are difficult to minimize with increase in
the size of the datasets.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**①何についての記載か? + 要旨は何?**

この節では、自己教師付き学習とコントラスト学習における理論的基盤や課題について議論している。特に、理論的な裏付けの不足、データ拡張と前提タスクの選択、負のサンプリング、データセットバイアスなどの問題が挙げられている。
- 理論的な裏付けの不足: コントラスト学習の一般化能力やパフォーマンス向上のための理論的枠組みが未だに不足している点。
- データ拡張と前提タスクの選択: タスクやデータセットに依存しない強固な前提タスクとデータ拡張がパフォーマンスに大きく寄与するが、比較は困難であること。
- 負のサンプリングの問題: 負のサンプルが効果的でない場合、学習が遅くなる可能性があり、難しい負のサンプルを用いることが改善に寄与することが示されている。
- データセットバイアス: 自己教師付き学習におけるデータそのものがバイアスを引き起こしやすく、これを最小化するのが難しい点。

**②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。**

- **理論的な分析の欠如**: Arora et al. [80] は、コントラスト学習の一般化能力を調査したが、アーキテクチャ設計やサンプリング手法がパフォーマンスに与える影響が大きいことが判明している。また、Tsai et al. [87] は、情報理論的な枠組みを用いて、自己教師付き学習の成功要因を多視点の観点から分析している。この研究では、自己教師付き学習で得られた表現は、タスクに関連する情報を抽出し、不要な情報を取り除くが、これには一定の情報損失が伴うことが示されている。
  
- **データ拡張と前提タスクの選択**: PIRL [17] のように、前提タスクに依存しない結果を出す手法も存在するが、SimCLR [42], MoCo-v2 [47] や Tian et al. [19] などの研究では、適切なデータ拡張や前提タスクの選択が表現の質を大きく向上させることが示されている。SwAV [13] では複数のデータ拡張を用いることで、他の自己教師付き手法を上回る性能を達成している。

- **負のサンプリング**: 学習中、元の（正の）サンプルとそれに対する負のサンプルを比較することで、コントラスト損失を計算してモデルを学習させる。しかし、負のサンプルが簡単すぎる場合、損失への寄与が最小限であり、モデルの収束が遅くなる。この問題に対して、最近の手法ではバッチサイズを増加させるか、大きなメモリバンクを保持することが提案されている [15, 17]。また、Kalantidis et al. [88] は、難しい負のサンプルを混ぜることで、より迅速かつ優れた学習を促進する手法を提案している。

**③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。**

- **前提タスクとデータ拡張の選択**: PIRLのように、前提タスクの選択に依存しない方法を用いる工夫がある一方で、SimCLRやMoCo-v2などでは、データ拡張や前提タスクの選定が重要視されている。特にSwAVは、複数のデータ拡張を利用することで他の手法を上回る性能を示している点が大きな工夫である。

- **難しい負のサンプリング**: Kalantidis et al. の研究では、難しい負のサンプルを組み込むことで、モデルの収束を早め、より良い学習を促進している点が工夫されている。ただし、これに伴って多数のハイパーパラメータが導入され、他のデータセットに一般化することが難しい点が課題となっている。

**④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。**

- **理論的基盤の必要性**: Tsai et al. [87] の情報理論的分析によると、自己教師付き学習で得られた表現は、関連する情報を抽出し、不要な情報を排除するが、タスクに依存する部分が大きく、これがパフォーマンスに大きく影響する。

**▼質問(人間)**
続けて下記の質問に追加で回答下さい:
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)
⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)
⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)**

- **データ拡張と前提タスクの選択**: SwAV [13] が他の自己教師付き学習法（SimCLR [42], MoCo-v2 [47], PIRL [17] など）を上回る性能を達成している。特に、複数のデータ拡張を使用することによって、他の手法に比べて高いパフォーマンスが確認されている。
- **難しい負のサンプリング**: Kalantidis et al. [88] による難しい負のサンプルの使用は、モデルの学習スピードと精度を向上させる。しかし、この手法にはハイパーパラメータの最適化が必要であり、データセット間での汎用性が限定されている。
  
具体的な数値については、元文中に記載されていないため、「無し」と記載する。

**⑥比較の記載があれば違いを表でまとめて下さい。(下に解説を記載、対応する図/表番号があれば明記)**

| 手法         | 特徴・工夫点                                       | パフォーマンス向上の理由                        | 課題点・制限事項                     |
|--------------|---------------------------------------------------|------------------------------------------------|---------------------------------------|
| PIRL [17]    | 前提タスクに依存しない結果を強調                  | 一貫性のある結果を得る                           | タスクによる調整が必要な場合あり     |
| SimCLR [42]  | 強力なデータ拡張と前提タスクの選択                 | データ拡張が質の高い表現を生成                   | 比較が困難                           |
| MoCo-v2 [47] | 大規模メモリバンクを用いた学習                    | 生成された負のサンプルが効果的に機能             | バッチサイズを増やす必要がある       |
| SwAV [13]    | 複数のデータ拡張を用いることで、他手法より高性能 | 拡張手法が多様な特徴を捉え、汎用性が高まる       | 他手法との直接比較が難しい           |
| Kalantidis et al. [88] | 難しい負のサンプリングを導入                | 学習スピードと精度の向上                        | ハイパーパラメータの調整が複雑       |

解説:  
- PIRLは、前提タスクに依存しない手法として知られるが、SimCLRやMoCo-v2では、適切な前提タスクとデータ拡張の選択がパフォーマンスに大きく影響する。また、SwAVは複数のデータ拡張を利用することで他の自己教師付き学習法を上回る性能を示している。負のサンプリングに関しては、Kalantidisらが提案した難しい負のサンプルの使用が学習速度を改善する一方で、調整が難しいハイパーパラメータが増えることが課題となっている。

**⑩図/表があれば、各図/表は何を主張するためのものかを説明下さい。(掲載理由・注目ポイント等)**

元文には具体的な図表の参照が記載されていないため、「無し」と記載する。

**⑪関連研究の参照番号を全て列挙して、表にまとめて下さい。(元文にある内容のみ記載・類推して付け足しは不要、|参照番号|概要説明|の表へ、関連するもの同士でまとめて並べ替え)**

| 参照番号  | 概要説明                                                                 |
|-----------|--------------------------------------------------------------------------|
| [80]      | Aroraらによる、コントラスト学習の一般化能力に関する理論的な研究                       |
| [87]      | Tsaiらによる、情報理論に基づいた多視点での自己教師付き学習の成功要因の分析               |
| [17]      | PIRLによる、前提タスクに依存しない自己教師付き学習手法                               |
| [42]      | SimCLRによる、強力なデータ拡張と前提タスクの選択を用いた自己教師付き学習                 |
| [47]      | MoCo-v2による、大規模メモリバンクを用いた学習手法                                      |
| [13]      | SwAVによる、複数のデータ拡張を用いた自己教師付き学習での高性能の達成                     |
| [88]      | Kalantidisらによる、難しい負のサンプリングを導入した学習手法                             |
| [19]      | Tianらによる、前提タスクとデータ拡張の選択がコントラスト学習の質を向上させる研究           |
| [15]      | 大規模バッチサイズを使用した負のサンプリングの方法に関する研究                             |

##   10 Conclusion

**▼質問(人間)**
<details><summary>質問内容全体はここをクリック</summary>
(論文・記事の各章節を貼り付け)
10 Conclusion
This paper has extensively reviewed recent top-performing self-supervised methods that follow contrastive learning
for both vision and NLP tasks. We clearly explain different modules in a contrastive learning pipeline; from choosing
the right pretext task, selecting an architectural design, to using the learned parameters for a downstream task. The
works based on contrastive learning have shown promising results on several downstream tasks such as image/video
classification, object detection, and other NLP tasks. Finally, this work concludes by discussing some of the open
problems of current approaches that are yet to be addressed. New techniques and paradigms are needed to tackle these
issues.

上記の内容に関して下記の質問に回答下さい: (である調で記載、質問に対して該当するものが無ければ無しと記載)
①何についての記載か? + 要旨は何? (要旨は箇条書きで記載、既存手法があれば引用元を記載)
②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)
③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。
④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。
⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)
</details>

**▼生成AIの回答(ChatGPT-4o)**
**①何についての記載か? + 要旨は何?**

- **何についての記載か?**: 本論文の結論部分であり、コントラスト学習に基づく自己教師付き手法に関する総括を述べている。
- **要旨**:
  - コントラスト学習を活用した自己教師付き学習手法について、主に視覚タスクとNLPタスクにおける最近の高性能手法を網羅的にレビューしている。
  - コントラスト学習パイプラインの各モジュールについて説明しており、適切な前提タスクの選択、アーキテクチャ設計、学習済みパラメータの下流タスクへの適用方法が含まれている。
  - 画像/動画分類、物体検出、NLPタスクなど、いくつかの下流タスクで有望な結果を示したことを報告している。
  - 現在のアプローチにおける未解決の問題を指摘し、これらの問題を解決するために新しい技術やパラダイムの必要性を論じている。

**②具体的な処理方法の記載があれば説明下さい。(簡略化せずに全て記載、既存手法があれば引用元を記載)**

具体的な処理方法の詳細は、結論部分には記載されていないため「無し」。

**③改良点・工夫点・テクニック等の記載があれば説明下さい。**

- コントラスト学習を適用する際に、以下のポイントを改良・工夫として挙げている:
  - **前提タスクの選択**: タスクに応じた適切な前提タスクの選択が重要である。
  - **アーキテクチャ設計の工夫**: モジュール間の相互作用や学習方法を工夫し、下流タスクにおける性能向上を目指す。
  - **学習パラメータの応用**: 学習済みのパラメータを効率的に下流タスクに利用する手法が求められている。

**④メカニズムの解明・なぜそうなるのか等の記載があれば説明下さい。**

- 結論部分では、コントラスト学習が画像分類やNLPタスクなどにおいて有効である理由として、以下のメカニズムが示唆されている:
  - **コントラスト学習の有効性**: 異なるサンプル間の類似度を最大化しつつ、異なるクラスのサンプル間の相違を強調することで、高品質な特徴表現を学習できるため。
  - **前提タスクとアーキテクチャ設計の相互作用**: 前提タスクとアーキテクチャの選択が、学習した特徴表現の質に大きな影響を与えるため。

**⑤性能が向上した記載があれば説明下さい。(具体値があれば記載、対応する図/表番号があれば各文末に記載)**

- 結論部分には具体的な性能向上の数値や図表番号が記載されていないため、「無し」。


#   あとがき

##   所感

機械学習についてある程度知っていないと、生成AIに質問しても、その回答内容だけでは理解できないと思います。生成AIの回答は、論文の内容をあまり変えずに、要点をそのまま掻い摘んで回答するような形になっています。(良い意味で論文の要点をそのまま抜き出した形)

##   分かったこと

分かったこと・注目した点を列挙すると:

自己教師あり学習は、大規模データセットにラベル付けするコストを回避する手法である。
コントラスト学習は、同じサンプルの増強バージョンを近接した埋め込みにし、異なるサンプル間の埋め込みを遠ざけることを目的としている。

本論文は、コントラスト学習に基づく自己教師あり学習手法の広範なレビューを提供している。

コントラスト学習は、Mikolovら[78]が2013年に初めてNLPに導入し、語の共起関係を用いた学習とネガティブサンプリング[79]を利用して単語埋め込みを効率的に学習する手法であった。

コントラスト学習において、同一サンプルの増強バージョンを近づけ、異なるサンプルを遠ざけることは、モデルが意味のある特徴を抽出し、類似したデータポイント間の共通性を捉えることを助ける。このメカニズムは、ラベルなしデータの効率的な表現学習を可能にしている。

コントラスト学習と生成モデルに基づくアプローチが紹介されている。
コントラスト学習は、生成モデルよりも学習が安定しやすく、類似したサンプルを近づけるための手法として広く使用されている。
生成モデル（特にGANベースの手法）は、収束の問題やジェネレータとディスクリミネータの同期の難しさという課題がある。これに対し、**コントラスト学習は、ネガティブサンプルを多く使用することで学習が安定しやすい**という利点がある。

生成モデルが収束しにくい理由は、ジェネレータとディスクリミネータの同期の問題である。**ディスクリミネータが強力すぎる場合、ジェネレータが学習できず**、実際のようなフェイクデータを生成できないため、学習が停滞する。また、パラメータの振動という問題もある。

コントラスト学習において、従来の手法に比べて性能が向上したことが示されている。特に、SwAV、MoCo、SimCLRといった最近の手法が、ImageNetのような大規模データセットにおいて、教師あり学習と比較しても同等またはそれ以上のパフォーマンスを示している（図3を参照）。

自己教師あり学習における事前タスク（pretext task）について:
事前タスク（pretext task）: 擬似ラベルを生成し、特徴表現を学習する。

色変換: 画像のぼかしや色の歪み、グレースケール変換など
このタスクにより、ネットワークは色に依存しない画像の類似性を学習する。これにより、色が異なっていても同じオブジェクトを認識できるようになる。

幾何変換: スケーリング、ランダムクロップ、水平または垂直フリップなどの操作
これにより、画像の一部分から全体的な構造を推測する能力が向上する。また、ランダムクロップやフリップを使うことで、ネットワークが多様な視点や角度からの画像を認識できるようになる。

ジグソーパズル: 画像のパッチをランダムにシャッフルし、シャッフルされた画像をポジティブサンプル、その他の画像をネガティブサンプルとする【17】。
画像の部分的な情報から全体的な構造を学習する。

フレーム順序ベース: このタスクは、時系列データにおいて、シャッフルされたフレームをポジティブサンプル、その他のビデオフレームをネガティブサンプルとして扱う。
この手法により、時系列データの時間的コヒーレンスを保持する特徴が学習される【20】。

未来予測: 時系列データにおいて、過去のデータから未来の情報を予測する。高次元のデータを低次元の潜在空間に圧縮、元の信号の相互情報量を最大限に保持したベクトル表現に変換する【21, 22】（図7）。

View Prediction (Cross modal-based): アンカー画像と正のサンプルが同じシーンの異なる視点から取られたもので、異なる時間で取られた画像は負のサンプルとされる。

Contrastive learningにおいて、pre-text taskの選択はモデル性能に大きな影響を与える。
例として、回転が一部の画像認識タスクには有効だが、他のタスクではパフォーマンスを下げる可能性があることや、カラー化タスクが微細な分類に適さない場合が挙げられている。

NLPにおける主なpre-text taskの種類: 
Center and Neighbor Word Prediction: Word2Vecによって提案された手法で、中心単語や隣接単語を予測するタスクである【29】。
Next and Neighbor Sentence Prediction: 文が連続するか否かを予測するBERTのタスク【30】、およびSkip-Thought Vectorsによる隣接文予測タスク【31】。
Auto-regressive Language Modeling: 次の単語を予測するタスクであり、GPTなどが採用【32】。
Sentence Permutation: 文の順序を予測するタスクであり、BARTが採用【33】。

コントラスト学習の手法: 
コントラスト学習の手法は、訓練時に正のデータポイントに対する負のサンプルを集める方法に基づいて分類できる。
(a) End-to-End training of two encoders: 2つのエンコーダーをエンドツーエンドで訓練する手法で、1つのエンコーダーが正のサンプルの表現を生成し、もう1つのエンコーダーが負のサンプルの表現を生成する。負のサンプルを多く確保するために大きなバッチサイズが必要。4096等。
(b) Memory bank: 負のサンプルのエンコーディングをメモリバンクに格納し、後でそれを取得する手法。これにより、大量の負のサンプルを効率的に扱うことができる。
(c) Momentum encoder: 動的な辞書参照として機能するモメンタムエンコーダーを使用し、訓練中に負のサンプルのエンコーディングを行う手法。モメンタムエンコーダーは、負のサンプルを常に更新しながら訓練する。
(d) Clustering with swapped prediction: 2つのエンコーダーから得られた表現を入れ替えて予測するクラスターリング機構を使用する。エンドツーエンドアーキテクチャを採用。

※エンコーダー: 入力データを処理して特徴量を抽出して後段タスク用に埋め込みベクトルを出力するもの。

**※負例の埋め込みベクトルは、固定でもよい(勾配計算・更新なしでもよい)。元々の入力データ$q$の埋め込みベクトルから勾配計算して更新されればよい。元データ$q$の埋め込みベクトルと、負例の埋め込みベクトル(勾配なし)との類似度を計算して、より違うもの(cos→0)となるように、元データ$q$の埋め込みベクトルが変化すればそれでよい。**

負のサンプルの数がバッチサイズに依存するため、バッチサイズが大きいほど、モデルが学習する負のサンプルの数も増加し、性能が向上する。ただし、GPUメモリの制約により、バッチサイズが大きくなるとスケーラビリティの問題が生じる。
モデルが**「ハードネガティブ（難しい負例）」から学習**できるようにする。

大きなバッチサイズが訓練時の最適化に悪影響を与える可能性があるため、メモリバンクを保持することが解決策の一つとして提案されている。
**メモリバンクは、訓練中に負のサンプルとして使用されるサンプルの特徴表現を蓄積し、定期的に更新される辞書のようなものである。更新は、サンプルが最後に使用された際に行われる**。
メモリバンク内の特徴表現は徐々に古くなるため、頻繁な更新が必要となり、これが計算コストを増加させる要因となっている。

モメンタムエンコーダーは、メモリバンクの代わりに、エンコードされたキーをキューとして保持し、最新のミニバッチをキューに追加し、最も古いミニバッチをキューから削除する仕組みである。
エンコーダーは同じパラメータを共有するが、バックプロパゲーションはされず、クエリエンコーダーのパラメータに基づいて更新される。モメンタム更新により、エンコーダー間の差異を減らしながら、スムーズな更新が可能になる。
**モメンタムエンコーダーは、エンコーダーQと同じパラメータを共有し、エンコーダーQのパラメータを基にモメンタム更新される (式(1)により、θk ← mθk + (1 − m)θq)。**
**バックプロパゲーションによる更新がエンコーダーQにのみ適用され、モメンタムエンコーダーはそのパラメータに基づいてゆっくりと更新されるため、エンコーダー間の急激な変動を防ぐことができる。**
メモリバンクに比べて、計算効率とメモリ効率が改善。

クラスタリングを使用したアーキテクチャでは、サンプルを比較する類似性メトリックを用いた従来のアプローチではなく、クラスタリングアルゴリズムを使用して類似した特徴をまとめる。
従来のインスタンスベースの学習では、同じクラスのサンプルが誤って区別される問題があったが、クラスタリングアプローチではこの問題が解決される。
特徴空間において、例えば、猫の画像と犬の画像は同じクラスター内に含まれ、異なるクラス（例：家の画像）とは距離を置くように学習する。

ResNet-50のアーキテクチャがよく使用されており、その中でres5層の特徴が平均プーリングされて2048次元の特徴ベクトルが得られる (Misra et al. [17])。
得られた2048次元のベクトルは、単一の線形投影を使用して128次元に変換される。

Ablationテストでは、res2、res3、res4など、他の層から得られる特徴も評価され、**後段の層から抽出された特徴の方が、入力をよりよく表現する**ことが示された。

Noise Contrastive Estimation (NCE) 損失は、非線形ロジスティック回帰を通じて、観測データと人工的に生成されたノイズを識別する目的で設計された。負のサンプル数が多い場合には、InfoNCEというNCEの派生が使用される。
　↑
**※コントラスト損失InfoNCEは、分類問題で用いるクロスエントロピー(softmax & -logP)とほとんど同じ形。**

非常に大きなバッチサイズを使用する場合には、LARS (Layer-wise Adaptive Rate Scaling) [48] オプティマイザが使用され、これにより各層ごとに異なる学習率が適用される。

温度係数（τ）の導入は、サンプル間の距離の差異を調整するためであり、ハードネガティブに対する影響を強化する。

ある入力サンプルに対して、データセットからサンプルのトップKの近傍を取得し、自己教師ありアプローチが期待通りの動作をしているかを分析する。

下流タスクでのパフォーマンスを比較:
SwAV [13] が最先端の教師ありモデルを超えるパフォーマンスを示している。
SwAV [13] では複数のデータ拡張を用いることで、他の自己教師付き手法を上回る性能を達成している。

コントラスト学習における理論的基盤や課題について: 
特に、理論的な裏付けの不足、データ拡張と前提タスクの選択、負のサンプリング、データセットバイアスなどの問題が挙げられている。
負のサンプルが簡単すぎる場合、損失への寄与が最小限であり、モデルの収束が遅くなる。
自己教師付き学習におけるデータそのものがバイアスを引き起こしやすく、これを最小化するのが難しい。