¿Qué es Few-Shot-Learning?

Few-Shot-Learning (FSL) es una técnica de aprendizaje automático en el que un modelo de inteligencia artificial aprende a realizar predicciones precisas a partir de una cantidad muy limitada de ejemplos etiquetados. Este se entrena en patrones y características generales que se aplican a diversas tareas. Este método se usa principalmente en áreas donde solo hay datos limitados disponibles, como el reconocimiento de imágenes y el procesamiento del lenguaje.

¿Qué significa Few-Shot-Learning?

Few-Shot-Learning (FSL) es un framework del campo del Machine Learning o del aprendizaje automático, en otras palabras, es una estructura básica para el código de programación. Se utiliza para entrenar modelos de IA para que realicen predicciones precisas con una pequeña cantidad de datos de entrenamiento. Mientras que los métodos tradicionales de aprendizaje automático suelen necesitar miles de puntos de datos para ofrecer resultados fiables, el método Few-Shot-Learning se centra en optimizar el aprendizaje con una cantidad mínima de datos.

El objetivo principal de Few-Shot-Learning es aprender de manera efectiva con solo unos pocos ejemplos. Debido a que se trabaja con una cantidad mínima de datos, el método Few-Shot-Learning resulta particularmente valioso en situaciones donde es difícil recopilar grandes volúmenes de datos etiquetados. A menudo, los costes son simplemente demasiado altos o, en algunos casos, solo hay disponibles unos pocos ejemplos o muestras. Esto ocurre, por ejemplo, en el diagnóstico de enfermedades raras o en la interpretación de escrituras únicas.

El método Few-Shot-Learning se puede considerar como una subcategoría del aprendizaje n-Shot. Esto significa que el FSL se organiza generalmente como un sistema de categorización N-Way-K-Shot, donde “N” representa el número de clases y “K” la cantidad de ejemplos proporcionados para cada clase. Esta rama de la inteligencia artificial también incluye el aprendizaje One-Shot (con un solo ejemplo etiquetado por clase) y el aprendizaje Zero-Shot-Learning (sin ejemplos etiquetados). El primero se considera una variante desafiante de FSL, mientras que el último se valora como un problema de aprendizaje independiente.

¿Cómo funciona Few-Shot-Learning?

Aunque los algoritmos especializados y las redes neuronales resuelven muchas tareas de FSL con éxito, el método Few-Shot-Learning se define más por el problema de aprendizaje en cuestión que por el uso de una estructura de modelo específica. Por lo tanto, existe una amplia gama de métodos FSL, desde la adaptación de modelos previamente entrenados hasta el Meta-Learning y el uso de modelos generativos. A continuación, describimos algunos de estos enfoques de forma más detallada.

Transfer Learning

Los enfoques basados en Transfer Learning se centran en ajustar modelos previamente entrenados para afrontar nuevas tareas. En lugar de entrenar un modelo desde cero, las características y representaciones ya aprendidas se transfieren a una nueva tarea mediante unos pocos ajustes. Esto ayuda a evitar la sobrecarga de ajustes, que a menudo ocurre en el aprendizaje supervisado con pocos ejemplos etiquetados, especialmente en modelos con una gran cantidad de parámetros, como las redes neuronales convolucionales o Convolutional Neural Networks.

Un procedimiento común consiste en configurar un modelo de clasificación entrenando nuevas clases de datos con pocos ejemplos. En enfoques más complejos de Few-Shot-Learning, a menudo se ajusta la arquitectura de la red. El aprendizaje por transferencia o Transfer Learning es particularmente efectivo cuando existen fuertes similitudes entre la tarea original y la nueva, o cuando el entrenamiento original se ha realizado en un contexto similar.

Enfoque basado en datos

El método Few-Shot-Learning basado en datos se fundamenta en la idea de generar datos adicionales de entrenamiento para resolver el problema de las muestras limitadas. Este método es especialmente útil en situaciones en las que los ejemplos del mundo real son extremadamente escasos, como en el caso de las especies recién descubiertas. En caso de que haya muestras suficientemente variadas, se pueden generar datos adicionales que sean similares a estas, por ejemplo, mediante modelos generativos como las redes generativas antagónicas o Generative Adversarial Networks (GAN). Además, es posible combinar la ampliación de datos con otros métodos, como el Meta-Learning.

Meta-Learning

El Meta-Learning adopta un enfoque más amplio e indirecto que el Transfer Learning clásico y el Supervised Learning, ya que aquí el modelo no solo se entrena para tareas específicas relacionadas con su propósito. En cambio, aprende a resolver tareas a corto plazo dentro de un contexto determinado, y a largo plazo, reconoce patrones y estructuras entre tareas. Esto permite hacer predicciones sobre el grado de similitud entre puntos de datos de distintas clases y usar estos conocimientos para resolver tareas futuras.

Meta-Learning basado en métricas

Los enfoques de Meta-Learning basados en métricas no modelan fronteras de clasificación directas, sino valores continuos para representar una muestra de datos específica. Las inferencias se basan en el aprendizaje de nuevas funciones que miden la similitud entre el valor y las muestras y clases individuales. Entre los algoritmos de Few-Shot-Learning basados en métricas se incluyen:

• Redes siamesas: utilizan el aprendizaje contrastivo para resolver problemas de clasificación binaria. Comparan si dos muestras forman un par positivo (coincidencia) o un par negativo (no hay coincidencia).
• Redes de coincidencia: también son capaces de realizar una clasificación múltiple. Utilizan una red neuronal adecuada para emitir una incrustación para cada muestra dentro de los conjuntos de soporte y consulta. Las redes de coincidencia predicen la clasificación comparando las muestras de soporte con las de consulta.
• Redes prototípicas: calculan características promedio de las muestras proporcionadas para cada clase para determinar un prototipo de clase. Los puntos de datos individuales se categorizan en función de su proximidad relativa a los prototipos de clase.
• Redes de relaciones: también emplean un módulo de incrustación, pero además utilizan un módulo de relaciones para generar una función de distancia no lineal adecuada para el problema de clasificación.

Meta-Learning basado en optimización

Los métodos de Few-Shot-Learning basados en optimización tienen como objetivo crear modelos o hiperparámetros iniciales para redes neuronales que puedan adaptarse de manera eficiente a tareas específicas. Estos métodos utilizan la meta-optimización (es decir, otras técnicas de optimización) para mejorar el proceso de optimización, lo que también se conoce como optimización del descenso de gradiente.

El método más conocido de Few-Shot-Learning basado en optimización es el Meta-Learning agnóstico al modelo (MAML). Este enfoque no se centra en una tarea específica y se puede aplicar a todos los modelos que aprenden a través del descenso de gradiente. También es posible utilizar redes de memoria larga a corto plazo o LSTM (abreviatura de Long Short-Term Memory) para entrenar modelos de Meta-Learning. La característica especial de la optimización de incrustación latente (también conocida como Latent Embedding Optimization o por su abreviatura LEO) es que aprende una distribución generativa de los parámetros del modelo específicos de la tarea.

¿Cuáles son los principales campos de aplicación de Few-Shot-Learning?

El método Few-Shot-Learning se puede aplicar en muchas áreas, ya que numerosas industrias y campos de investigación se benefician de la capacidad de aprender de manera eficiente con pocos ejemplos. Algunas áreas clave de aplicación incluyen:

• Visión por ordenador: muchos de los algoritmos de Few-Shot-Learning más utilizados se desarrollaron inicialmente para tareas de clasificación de imágenes, pero también son útiles en problemas más complejos, como la detección de objetos, donde se requiere localizar con precisión componentes específicos de una imagen.
• Robótica: el método Few-Shot-Learning tiene el potencial de ayudar a los robots a adaptarse de forma más rápida a nuevos entornos y a realizar nuevas tareas con mayor rapidez.
• Procesamiento del lenguaje: los métodos FSL, en particular el Transfer Learning, ayuda a adaptar modelos de lenguaje extenso (LLM) previamente entrenados con grandes cantidades de datos para tareas específicas que requieren comprensión contextual. Entre estas tareas se incluyen, por ejemplo, la clasificación de texto y el análisis de sentimientos.
• Sector sanitario: debido a su capacidad para capturar o aprender rápidamente de clases de datos desconocidas o raras, Few-Shot-Learning es ideal en áreas médicas en las que la obtención de datos etiquetados es difícil. Un ejemplo clásico de esto es el diagnóstico de enfermedades raras.
• Banca: las instituciones financieras utilizan algoritmos de Few-Shot-Learning en la detección de fraudes para identificar patrones anómalos o comportamientos inusuales en transacciones financieras. Esto funciona incluso cuando solo hay unos pocos casos de fraude disponibles como datos.

Desafíos prácticos en la implementación de Few-Shot-Learning

La implementación del método Few-Shot-Learning conlleva algunos desafíos prácticos: uno de los mayores obstáculos es el riesgo de overfitting (o sobreajustes). Los modelos entrenados con pocos ejemplos tienden a aprender demasiado de los datos disponibles, lo que los lleva a una mala capacidad de generalización. Además, el método Few-Shot-Learning requiere que los modelos se ajusten y optimicen con mucho cuidado para lograr un buen rendimiento.

También, la calidad de los datos disponibles es un factor clave para el éxito: si los pocos ejemplos no son representativos o contienen errores, esto puede afectar significativamente el rendimiento del modelo. Además, seleccionar características adecuadas y métodos para aumentar el conjunto de datos es un desafío debido a la cantidad limitada de datos. Las recursos computacionales y el tiempo necesario para entrenar modelos Few-Shot-Learning optimizados tampoco deben subestimarse.