這里大家?guī)硪黄浯髣⑼蠋?、南理工沈肖波老師?UTS Ivor W. Tsang 老師合作的 2020 年多標簽最新的 Survey，我也有幸參與其中，負責了一部分工作。

上半年在知乎上看到有朋友咨詢多標簽學習是否有新的 Survey，我搜索了一下，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的多標簽 Survey 基本在 2014 年之前，主要有以下幾篇：

Tsoumakas 的《Multi-label classification： An overview》（2007）

周志華老師的《A review on multi-label learning algorithms》（2013）

一篇比較小眾的，Gibaja 《Multi‐label learning： a review of the state of the art and ongoing research》2014

時過境遷，從 2012 年起，AI 領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，Deep Learning 已經(jīng)占據(jù)絕對的主導地位，我們面對的問題越來越復雜，CV 和 NLP 朝著各自的方向前行。模型越來越強，我們面對的任務(wù)的也越來越復雜，其中，我們越來越多地需要考慮高度結(jié)構(gòu)化的輸出空間。多標簽學習，作為一個傳統(tǒng)的機器學習任務(wù)，近年來也擁抱變化，有了新的研究趨勢。因此，我們整理了近年多標簽學習在各大會議的工作，希望能夠為研究者們提供更具前瞻性的思考。

關(guān)于單標簽學習和多標簽學習的區(qū)別，這里簡單給個例子：傳統(tǒng)的圖片單標簽分類考慮識別一張圖片里的一個物體，例如 ImageNet、CIFAR10 等都是如此，但其實圖片里往往不會只有一個物體，大家隨手往自己的桌面拍一張照片，就會有多個物體，比如手機、電腦、筆、書籍等等。在這樣的情況下，單標簽學習的方法并不適用，因為輸出的標簽可能是結(jié)構(gòu)化的、具有相關(guān)性的（比如鍵盤和鼠標經(jīng)常同時出現(xiàn)），所以我們需要探索更強的多標簽學習算法來提升學習性能。

本文的主要內(nèi)容有六大部分：

Extreme Multi-Label Classification

Multi-Label with Limited Supervision

Deep Multi-Label Classification

Online Multi-Label Classification

Statistical Multi-Label Learning

New Applications

接下去我們對這些部分進行簡單的介紹，更多細節(jié)大家也可以進一步閱讀 Survey 原文。另外，由于現(xiàn)在的論文迭代很快，我們無法完全 Cover 到每篇工作。我們的主旨是盡量保證收集的工作來自近年已發(fā)表和錄用的、高質(zhì)量的期刊或會議，保證對當前工作的整體趨勢進行把握。如果讀者有任何想法和意見的話，也歡迎私信進行交流。 1. Extreme Multi-Label Learning （XML） 在文本分類，推薦系統(tǒng)，Wikipedia，Amazon 關(guān)鍵詞匹配 ［1］ 等等應用中，我們通常需要從非常巨大的標簽空間中召回標簽。比如，很多人會 po 自己的自拍到 FB、Ins 上，我們可能希望由此訓練一個分類器，自動識別誰出現(xiàn)在了某張圖片中。

對 XML 來說，首要的問題就是標簽空間、特征空間都可能非常巨大，例如 Manik Varma 大佬的主頁中給出的一些數(shù)據(jù)集［2］，標簽空間的維度甚至遠高于特征維度。其次，由于如此巨大的標簽空間，可能存在較多的 Missing Label（下文會進一步闡述）。最后，標簽存在長尾分布［3］，絕大部分標簽僅僅有少量樣本關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)有的 XML 方法大致可以分為三類，分別為：Embedding Methods、Tree-Based Methods、One-vs-All Methods。近年來，也有很多文獻使用了深度學習技術(shù)解決 XML 問題，不過我們將會在 Section 4 再進行闡述。XML 的研究熱潮大概從 2014 年開始，Varma 大佬搭建了 XML 的 Repository 后，已經(jīng)有越來越多的研究者開始關(guān)注，多年來 XML 相關(guān)的文章理論和實驗結(jié)果并重，值得更多的關(guān)注。

2. Multi-Label with Limited Supervision 相比于傳統(tǒng)學習問題，對多標簽數(shù)據(jù)的標注十分困難，更大的標簽空間帶來的是更高的標注成本。隨著我們面對的問題越來越復雜，樣本維度、數(shù)據(jù)量、標簽維度都會影響標注的成本。因此，近年多標簽的另一個趨勢是開始關(guān)注如何在有限的監(jiān)督下構(gòu)建更好的學習模型。本文將這些相關(guān)的領(lǐng)域主要分為三類： MLC with Missing Labels（MLML）：多標簽問題中，標簽很可能是缺失的。例如，對 XML 問題來說，標注者根本不可能遍歷所有的標簽，因此標注者通常只會給出一個子集，而不是給出所有的監(jiān)督信息。文獻中解決該問題的技術(shù)主要有基于圖的方法、基于標簽空間（或 Latent 標簽空間）Low-Rank 的方法、基于概率圖模型的方法。

Semi-Supervised MLC：MLML 考慮的是標簽維度的難度，但是我們知道從深度學習需要更多的數(shù)據(jù)，在樣本量上，多標簽學習有著和傳統(tǒng) AI 相同的困難。半監(jiān)督 MLC 的研究開展較早，主要技術(shù)和 MLML 也相對接近，在這一節(jié)，我們首先簡要回顧了近年半監(jiān)督 MLC 的一些最新工作。但是，近年來，半監(jiān)督 MLC 開始有了新的挑戰(zhàn)，不少文章開始結(jié)合半監(jiān)督 MLC 和 MLML 問題。畢竟對于多標簽數(shù)據(jù)量來說，即使標注少量的 Full Supervised 數(shù)據(jù)，也是不可接受的。因此，許多文章開始研究一類弱監(jiān)督多標簽問題［4］（Weakly-Supervised MLC，狹義），也就是數(shù)據(jù)集中可能混雜 Full labeled/missing labels/unlabeled data。我們也在文中重點介紹了現(xiàn)有的一些 WS-MLC 的工作。

Partial Multi-Label Learning（PML）：PML 是近年來多標簽最新的方向，它考慮的是一類 “難以標注的問題”。比如，在我們標注下方的圖片（Zhang et. al. 2020［5］）的時候，諸如 Tree、Lavender 這些標簽相對是比較簡單的。但是有些標簽到底有沒有，是比較難以確定的，對于某些標注者，可能出現(xiàn)：“這張圖片看起來是在法國拍的，好像也可能是意大利？”。這種情況稱之為 Ambiguous。究其原因，一是有些物體確實難以辨識，第二可能是標注者不夠?qū)I(yè)（這種多標簽的情況，標注者不太熟悉一些事物也很正常）。但是，很多情況下，標注者是大概能夠猜到正確標簽的范圍，比如這張風景圖所在國家，很可能就是 France 或者 Italy 中的一個。我們在不確定的情況下，可以選擇不標注、或者隨機標注。但是不標注意味著我們丟失了所有信息，隨機標注意味著可能帶來噪聲，對學習的影響更大。所以 PML 選擇的是讓標注者提供所有可能的標簽，當然加了一個較強的假設(shè)：所有的標簽都應該被包含在候選標簽集中。在 Survey 中，我們將現(xiàn)有的 PML 方法劃分為 Two-Stage Disambiguation 和 End-to-End 方法（我們 IJCAI 2019 的論文 DRAMA［6］ 中，就使用了前者）。關(guān)于 PML 的更多探討，我在之前的知乎回答里面也已經(jīng)敘述過，大家也可以在我們的 Survey 中了解更多。

Other Settings：前文說過，多標簽學習的標簽空間紛繁復雜，因此很多研究者提出了各種各樣不同的學習問題，我們也簡單摘要了一些較為前沿的方向：

MLC with Noisy Labels （Noisy-MLC）。

MLC with Unseen Labels. （Streaming Labels/Zero-Shot/Few-Shot Labels）

Multi-Label Active Learning （MLAL）。

MLC with Multiple Instances （MIML）。

3. Deep Learning for MLC 相信這一部分是大家比較關(guān)心的內(nèi)容，隨著深度學習在越來越多的任務(wù)上展現(xiàn)了自己的統(tǒng)治力，多標簽學習當然也不能放過這塊香餑餑。不過，總體來說，多標簽深度學習的模型還沒有十分統(tǒng)一的框架，當前對 Deep MLC 的探索主要分為以下一些類別： Deep Embedding Methods：早期的 Embedding 方法通常使用線性投影，將 PCA、Compressed Sensing 等方法引入多標簽學習問題。一個很自然的問題是，線性投影真的能夠很好地挖掘標簽之間的相關(guān)關(guān)系嗎？同時，在 SLEEC［3］的工作中也發(fā)現(xiàn)某些數(shù)據(jù)集并不符合 Low-Rank 假設(shè)。因此，在 2017 年的工作 C2AE［7］中，Yeh 等將 Auto-Encoder 引入了多標簽學習中。由于其簡單易懂的架構(gòu)，很快有許多工作 Follow 了該方法，如 DBPC［8］等。

Deep Learning for Challenging MLC：深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強大的擬合能力使我們能夠有效地處理更多更困難的工作。因此我們發(fā)現(xiàn)近年的趨勢是在 CV、NLP 和 ML 幾大 Community，基本都會有不同的關(guān)注點，引入 DNN 解決 MLC 的問題，并根據(jù)各自的問題發(fā)展出自己的一條線。 1. XML 的應用：對這個方面的關(guān)注主要來自與數(shù)據(jù)挖掘和 NLP 領(lǐng)域，其中比較值得一提的是 Attention（如 AttentionXML［9］）機制、Transformer-Based Models（如 X-Transformer［10］）成為了最前沿的工作。

2. 弱監(jiān)督 MLC 的應用：這一部分和我們?nèi)醣O(jiān)督學習的部分相對交叉，特別的，CVPR 2019 的工作 ［11］ 探索了多種策略，在 Missing Labels 下訓練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 DL for MLC with unseen labels：這一領(lǐng)域的發(fā)展令人興奮，今年 ICML 的工作 DSLL［12］探索了流標簽學習，也有許多工作 ［13］ 將 Zero-Shot Learning 的架構(gòu)引入 MLC。 3. Advanced Deep Learning for MLC：有幾個方向的工作同樣值得一提。首先是 CNN-RNN［14］架構(gòu)的工作，近年有一個趨勢是探索 Orderfree 的解碼器 ［15］。除此之外，爆火的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) GNN 同樣被引入 MLC，ML-GCN［16］ 也是備受關(guān)注。特別的，SSGRL［17］是我比較喜歡的一篇工作，結(jié)合了 Attention 機制和 GNN，motivation 比較強，效果也很不錯。 總結(jié)一下，現(xiàn)在的 Deep MLC 呈現(xiàn)不同領(lǐng)域關(guān)注點和解決的問題不同的趨勢：

從架構(gòu)上看，基于Embedding、CNN-RNN、CNN-GNN的三種架構(gòu)受到較多的關(guān)注。

從任務(wù)上，在XML、弱監(jiān)督、零樣本的問題上，DNN 大展拳腳。

從技術(shù)上，Attention、Transformer、GNN在 MLC 上的應用可能會越來越多。

4. Online Multi-Label Learning 面對當前這么復雜而眾多的學習問題，傳統(tǒng)的全數(shù)據(jù)學習的方式已經(jīng)很難滿足我們現(xiàn)實應用的需求了。因此，我們認為 Online Multi-Label Learning 可能是一個十分重要，也更艱巨的問題。當前 Off-line 的 MLC 模型一般假設(shè)所有數(shù)據(jù)都能夠提前獲得，然而在很多應用中，或者對大規(guī)模的數(shù)據(jù)，很難直接進行全量數(shù)據(jù)的使用。一個樸素的想法自然是使用 Online 模型，也就是訓練數(shù)據(jù)序列地到達，并且僅出現(xiàn)一次。然而，面對這樣的數(shù)據(jù)，如何有效地挖掘多標簽相關(guān)性呢？本篇 Survey 介紹了一些已有的在線多標簽學習的方法，如 OUC［18］、CS-DPP［19］等。在弱監(jiān)督學習的部分，我們也回顧了近年一些在線弱監(jiān)督多標簽的文章［20］（在線弱監(jiān)督學習一直是一個很困難的問題）。

Online MLC 的工作不多，但是已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注，想要設(shè)計高效的學習算法并不簡單，希望未來能夠有更多研究者對這個問題進行探索。 5. Statistical Multi-Label Learning 近年，盡管深度學習更強勢，但傳統(tǒng)的機器學習理論也在穩(wěn)步發(fā)展，然而，多標簽學習的許多統(tǒng)計性質(zhì)并沒有得到很好的理解。近年 NIPS、ICML 的許多文章都有探索多標簽的相關(guān)性質(zhì)。一些值得一提的工作例如，缺失標簽下的低秩分類器的泛化誤差分析 ［21］、多標簽代理損失的相合性質(zhì)［22］、稀疏多標簽學習的 Oracle 性質(zhì)［23］ 等等。相信在未來，會有更多工作探索多標簽學習的理論性質(zhì)。

6. New Applications 講了這么多方法論，但追溯其本源，這么多紛繁復雜的問題依然是由任務(wù)驅(qū)動的，正是有許許多多現(xiàn)實世界的應用，要求我們設(shè)計不同的模型來解決尺度更大、監(jiān)督更弱、效果更強、速度更快、理論性質(zhì)更強的 MLC 模型。因此，在文章的最后一部分，我們介紹了近年多標簽領(lǐng)域一些最新的應用，如 Video Annotation、Green Computing and 5G Applications、User Profiling 等。在 CV 方向，一個趨勢是大家開始探索多標簽領(lǐng)域在視頻中的應用 ［24］。在 DM 領(lǐng)域，用戶畫像受到更多關(guān)注，在我們今年的工作 CMLP［25］ 中（下圖），就探索了對刷單用戶進行多種刷單行為的分析。不過，在 NLP 領(lǐng)域，似乎大家還是主要以文本分類為主，XML-Repo［2］中的應用還有較多探索的空間，所以我們沒有花額外的筆墨。

總結(jié) 寫這篇文章的過程中，我跟著幾位老師閱讀了很多文章，各個領(lǐng)域和方向的工作都整理了不少，盡管無法 cover 到所有工作，但是我們盡可能地把握了一些較為重要的探索的方向，也在文中較為謹慎地給出了一些我們的思考和建議，希望能夠給想要了解多標簽學習領(lǐng)域的研究者一點引領(lǐng)和思考。

原文標題：多標簽學習的新趨勢（2020 Survey）

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責任編輯：haq