Deep CORAL: Correlation Alignment for Deep Domain Adaptation（2016）

Introduction

• 作者引进了一个叫做CORAL的方法，通过对source domain和target domain进行线性变换来将他们各自的的二阶统计量对齐（对齐均值与协方差矩阵）。
• 但是作者认为CORAL实际上需要先对图像进行特征提取，再进行线性转换，再训练一个SVM分类器，比较麻烦。
• 作者对CORAL方法进行了拓展，通过在source domain和target domain之间建立一个最小化source domain和target domain数据之间相关性的损失函数来将它并入deep networks。
• 作者将CORAL方法改进做非线性变换，并且直接作用于source domain和target domain。

Deep CORAL

• 假设：target domain上没有标记的数据。
• 第一个目标是：平衡一个大的具有很好泛化的数据域(a large generic domain，比如ImageNet)和source domain之间的deep feature(深度网络学到的特征)。可以通过将神经网络的参数用那个large generic domain预训练过的网络的参数初始化并微调来达到目的。
• 第二个目标是：最小化source domain和target domain的deep feature的二阶统计量的差别。
• 网络架构：
  
  在fc8这一层当中，作者引入了CORAL loss这一损失函数。（AlexNet架构）

CORAL loss

• source domain：

  • 数据： DS={xi}， x∈Rd
  • 标签： LS={yi}， i∈{1,...,L}
  • 有 nS个数据，维度为 d(像素数什么的）

• target domain：

  • 数据： DT={ui}， u∈Rd
  • 有 nT个数据，维度为 d(像素数什么的）

• 用 DijS(DijT)表示第 j维度下source(target) domain数据中的第 i个样本。用 CS(CT) 表示特征的协方差矩阵。

• CORAL loss:
  

  lCORAL=∥CS−CT∥2F4d2
  • 后一个是矩阵的Frobenius范数
• 协方差矩阵计算：
  
  •  CS=1nS−1(DTSDS−(lTDS)T(lTDS)nS)
  •  CT=1nT−1(DTTDT−(lTDT)T(lTDT)nT)
  • 其中 l是一个所有元素为1的列向量
• gradient:
  
  •  ∂lCORAL∂DijS=1d2(nS−1)(DTS−((lTDS)TlT)T(CS−CT)nS)ij
  •  ∂lCORAL∂DijT=1d2(nS−1)(DTT−((lTDT)TlT)T(CS−CT)nS)ij
  • 论文作者提到说这里使用的是批次协方差（？ batch covariances）

End-to-end Domain Adaptation with CORAL Loss

• 在减少分类损失（classification loss）的同时，引入CORAL loss作为正则项来减少过拟合的可能性（使得训练出来的结果invariant to the difference between source and target domain）
• loss function:
  
  l=lCLASS+∑i=1tλilCORAL
  
  
  •  t是CORAL loss 层的数目
  •  λ是用于平衡分类准确度和域适应的一个参数（就是让 lCLASS和 lCORAL都不要太大）
  • 以上两个参数相互对抗最终达到一个平衡（最终的feature可以在target domain工作的很好）。
    

结论

• 利用CORAL loss可以限制source domain和target domain之间数据的距离。(这个和利用核函数的MMD很像）
• 一种新颖的正则约束项