Il Self-Supervised Learning per gestire la Data Annotation

Sentiamo frequentemente parlare di modelli di deep learning sempre più sofisticati, prodotti dalle grandi aziende tech del pianeta. Ma la possibilità di sfruttare modelli di intelligenza artificiale nella moltitudine di ambiti applicativi in cui potrebbero avere un impatto positivo è spesso ostacolata da un enorme problema, quello della Data Annotation. Nella sua forma più diffusa, il deep learning richiede una fase di addestramento supervisionata, in cui il modello di apprendimento impara a trovare correlazioni tra enormi quantità di dati di input ed etichette ad essi assegnati da esseri umani. Purtroppo, il processo di etichettatura di tali dati è molto dispendioso in termini di tempo, conoscenza e costi, a cui talvolta si aggiungono anche problemi legati alla privacy delle persone a cui appartengono o da cui sono stati generati i dati stessi. Ma come hanno fatto le big tech a mitigare questo problema? La risposta è il Self-Supervised Learning.

 

L’idea del Self-Supervised learning è quella di sfruttare le enormi quantità di dati non etichettati che vengono generati quotidianamente. In generale, il modello di apprendimento deve imparare a risolvere un task specifico, noto come downstream task, come ad esempio predirre la prossima parola che un utente sta per scrivere all’interno di una chat, o distinguere immagini di cani da immagini di gatti. Per imparare a distinguere cani da gatti in maniera supervisionata, un modello di deep learning dovrebbe essere addestrato tramite dati etichettati, come mostrato in Figura 1.

Come possiamo insegnare al modello a svolgere questo compito tramite il Self-Supevised Learning, riducendo così la quantità di dati che abbiamo bisogno di etichettare manualmente? In una prima fase, il modello di apprendimento viene addestrato per risolvere un pretext task, in cui i dati vengono pseudo-etichettati in maniera completamente automatica. Ad esempio, se il downstream task consiste nel distinguere cani da gatti, il pretext task potrebbe consistere nel predire di quanto è ruotata un’immagine generica di un animale (vedi Figura 2). In questo modo, le pseudo-etichette possono essere generate automaticamente: ogni immagine non etichettata che abbiamo a disposizione può essere ruotata in maniera casuale, associandole come etichetta il grado di rotazione ad essa applicato.

Qual è il vantaggio di tutto ciò? Per imparare a risolvere il pretext task, ovvero riconoscere il grado di rotazione applicato all’immagine di un animale, il modello di deep learning dovrà imparare a riconoscere forme caratteristiche degli animali stessi: se riesci a riconoscere le orecchie di un gatto, ti sarà più facile capire di quanto esse siano ruotate all’interno di un’immagine che ti viene mostrata.

 

Grazie al pretext task, il modello impara quindi a riconoscere informazioni caratteristiche (features) dei dati di input, senza necessità di andarli ad etichettare manualmente. A questo punto, come mostrato in Figura 3, non ci resta che effettuare un processo chiamato fine tuning: ci basta un numero relativamente basso di dati etichettati per insegnare al modello a sfruttare le features che è già in grado di estrarre dai dati di input per risolvere il nostro downstream task.

In conclusione, abbiamo visto come il Self-Supervised Learning può essere sfruttato per mitigare il problema della Data Annotation quando abbiamo necessità di addestrare un modello di deep learning. La maggior parte dei più recenti modelli presentati dalle big tech (vedi ad esempio i Large Language Models alla base di ChatGPT) sfruttano proprio questo meccanismo per permettere al modello di apprendimento di imparare da enormi quantità di dati che non necessitano di essere etichettati a mano.