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🚀 Data-Centric Topic Classification

📕 프로젝트 개요

본 프로젝트는 Topic Classification 문제를 Data-Centric한 접근을 통해 해결하는 것을 주제로 하고 있습니다.

현업에서 데이터의 중요도는 매우 높습니다. 하지만, ML/DL 모델에 비해 데이터에 관한 연구는 활발히 이루어지지 않고 있습니다. 본 프로젝트는 이러한 흐름에서 벗어나 모델에 대한 수정 없이 Data-Centric한 접근 만으로 모델의 성능을 극대화시키고, 해당 과정에서 데이터의 품질을 개선할 수 있는 다양한 방안에 대해 탐구하는 것을 목표로 하고 있습니다.

이러한 접근 방식은 현업에서의 복잡하고 잘 정제되지 않은 데이터들을 적절히 처리하는 일에 솔루션을 제공할 수 있습니다.

📕 프로젝트 요약

  • Text denoise 단계 별 세세한 instruction을 prompt로 입력하여 LM 기반의 denoising 수행
  • Labeling error를 교정하기 위해, text embedding과 함께 각종 ML model 활용
  • Back translation, Mix-up, C-BERT, Word Random Shuffle 등 부족한 train data size를 보완하기 위해 각종 augmentation method 시도

👨‍👨‍👦‍👦 멤버 소개

강경준 김재겸 원호영 유선우
KKJ KJK WHY YSW

⚖️ 역할 분담

팀원 역할
강경준 noisy text detection, text denoising, c-bert, code 관리
김재겸 text denoising, noisy text detection, data relabeling, mix-up
원호영 augmentation, text denoising, back translation, word random shuffle
유선우 EDA, analysis for noise pattern, text denoising

💻 개발/협업 환경

  • 컴퓨팅 환경
    • V100 서버 (VS code와 SSH로 연결하여 사용)
  • 협업 환경
    • notion github WandB
  • 의사소통
    • zoom

📑 데이터 설명

  • 데이터 설명
    • Train / Test (2,800 / 30,000)
    • 구성
      • ID : 각 데이터 샘플 ID
      • text : 기사 제목
      • target : 기사 분류 / 정수형 인코딩
        • 생활문화, 스포츠, 세계, 정치, 경제, IT과학, 사회의 7가지 주제 중 하나
    • 특징
      • text, target에 noise 포함
      • text 중 일부를 다른 ascii 코드로 변경
      • target 중 일부 임의로 변경

🗂️ 프로젝트 구조

. level2-datacentric-nlp-16
├─ .github
├─ data
│  ├─ train.csv
│  └─ test.csv
├─ dataloader
│  └─ datasets.py
├─ augmentation
│  ├─ C-BERT.py
│  ├─ PororoBT.py
│  ├─ shuffle.py
│  └─ synonym_replacement.py
├─ prompts
│  ├─ prompt_gemma.py
│  └─ prompt_llama.py
├─ utils
│  ├─ clean_text.py
│  └─ util.py
├─ .flake8
├─ .gitignore
├─ .gitmessage.txt
├─ .pre-commit-config.yaml
├─ README.md
├─ requirements.txt
├─ baseline_code.ipynb
├─ clean.py
└─ label_corrector.py

🎥 실행 코드

clean.py

# text denoising
## -s : seed number setting
## -m : huggingface model id
## -ku : korean ratio upper bound
## -kl : korean ratio lower bound
python3 clean.py -s 456 -m aifeifei798/Meta-Llama-3.1-8B-Instruct -ku 0.75 -kl 0.5

label_corrector.py

# label denoising
## -s : seed number setting
## -m : huggingface model id
## -mi : max iteration for logistic regression
## -k : number of folds for cross validataion
python3 label_corrector.py -s 456 -m klue/roberta-base -mi 400 -k 5

C-BERT.py

# C-BERT augmentation
## -s : random seed number
## -m : huggingface model id
## -n : the number of labels to predict
## -k : the number of candidates for synonym replacements
## -e : epoch size
## -b : batch size
## -lr : learning rate for training C-BERT
## -w : weight decay for learning rate scheduler
python3 C-BERT.py -s 456 -m FacebookAI/xlm-roberta-large -n 7 -k 3 -e 10 -b 16 -lr 0.001 -w 0.0001

synonym_replacement.py

# synonym replacement augmentation
## -s : random seed number
## -m : huggingface model id
## -n : the number of labels to predict
## -k : the number of candidates for synonym replacements
python3 synonym_replacement.py -s 456 -m FacebookAI/xlm-roberta-large -n 7 -k 3

PororoBT.py

# back translation augmentation
## -i : "input.csv" name 
## -o : "output.csv" name
python3 PororoBT.py -i train.csv -o ouput.csv

Shuffle.py

# Random word shuffle augmentation
## -i : "input.csv" name 
## -o : "output.csv" name
python3 Shuffle.py -i train.csv -o ouput.csv

📖 프로젝트 수행 결과

  • Text Noise Detection

    • 목적
      • data 상에는 수정하지 않아도 될 만큼 깔끔한 text와 어느 정도 수정이 가능한 text, 수정할 수 없는 정도로 손상된 text 등 여러 유형의 text가 존재
      • text에 대한 손상 정도를 정의하여, 수정할 text를 선별하는 과정 필요
    • 한국어 비율
      • 한글 문자가 영어, 특수 문자, 공백 및 숫자 등으로 대체되는 방식의 noise
      • 손상이 큰 text는 text 내 한글 비율이 낮을 것으로 예상됨
      • 따라서, 한글 비율을 기준으로 구간을 나누어 normal data, cleanable data, not-cleanable data 분류
      • normal data
        • 전혀 손상되지 않았거나, 수정하지 않아도 괜찮은 수준
        • 예시 (한글 및 공백 비율 0.8 이상 기준)
      • 페이스북 인터넷 드론 아퀼라 실물 첫 시험비행 성공
      • 해외로밍 m금폭탄 n동차단 더 빨$진다
      • 땅 파= 코l나 격리시설 탈출한 외국인 청_서 VS
      • cleanable data
        • 약간 손상됐지만, 원형을 어느정도 추정 가능한 수준
        • 예시 (한글 및 공백 비율 0.8 미만 0.6 이상 기준)
      • m 김정) 자주통일 새,?r열1나가야1보
      • 코로나 r대^등교)모습
      • 문대통령 김정*m트/프7 YTD 조속히H끝내고 A다고!,p2합
      • not-cleanable data
        • 손상이 너무 커, 원형을 추정할 수 없는 수준
        • 예시 (한글 및 공백 비율 0.6 미만 기준)
      • E달A](j상ZwQ선 일*77아-는데… nfD편
      • .달 CES %굴#N바@은^새a|더o폰I중저o폰O rb
      • 여행^식e한$8수&mT30,_Y기! 사진# 이마진 프<스

  • Text Denoising

    • 목적
      • text에 적용된 noise 규칙을 분석하고, 이를 기반으로 원형을 복구하는 것을 목적으로 함
      • text의 원형에 대한 데이터를 활용한 학습을 진행할 수 없으므로, LLM에 prompt engineering을 적용하는 방안 활용
    • 모델 선정
      • 선정 기준
        • noise가 섞인 문장을 복원하는 작업에는 높은 수준의 추론 능력 요구됨
        • 하지만, 제한된 컴퓨팅 리소스 내에서 기대할 수 있는 모델의 추론 능력에는 한계가 있음
        • 따라서, 작은 크기로 최대한의 효용을 낼 수 있는 모델을 기준으로 선정
      • Llama
        • scaling law 기반으로 model size에 적합한 dataset size를 통해, 제한된 모델 크기 내에서 최고의 효율성 달성
        • Llama - 8B 모델 활용
      • Gemma
        • scaling law 기반의 적절한 dataset size에 더불어, 작은 모델에 큰 모델의 지식을 전달하는 지식 증류 학습 기술을 통해 작은 크기의 모델에서도 좋은 성능을 달성
        • Gemma - 9B 모델 활용
    • Prompt Engineering
      • Few shot
        • Llama - 8B 모델 활용
        • 문장 복원에 대한 예시 기반의 질문과 답변 쌍으로만 prompt를 구성
        • 결과
          • Llama model 활용
          • Accuracy : 0.7205 / F1-score : 0.7041
          • CoT 기반의 prompt에 비해 부족한 성능
          • 자의적으로 수정하는 경우 대부분
          • 손상이 덜한 텍스트에 오히려 손상을 주는 경우도 발생
      • Chain of Thoughts
        • 문장의 복원 단계 및 규칙을 세부적으로 나누어 지시
        • Llama model base
          • Llama - 8B 모델 활용
          • 노이즈 패턴 설명⋅복원 규칙 제시⋅예시⋅복원 요청문의 4단계로 구성
          • 결과
            • 문장의 완결성 높음
            • 다소 자의적인 수정을 하는 경우 여전히 존재
            • Accuracy : 0.8277 / F1-score : 0.8247
        • Gemma model base
          • Gemma - 9B 모델 활용
          • 복원 조건⋅복원 단계⋅복원 예시⋅복원 요청문의 4단계로 구성
          • 결과
            • 조건, 예시, 요청의 3단계 구성 보다, 복원 단계를 추가을 때 복원 조건 반영 능력 향상
            • 하나의 예시만 주었을 때 보다 여러 개의 예시를 주었을 때 다양한 케이스에 대한 일관된 복원 능력 향상에 도움 됨
            • Accuracy : 0.8293 / F1-score : 0.8257
      • 결론
        • 단순히 예시를 연속적으로 제시하는 것 보다, 세부적으로 과정을 설명하는 것이 모델에게도 도움이 됨
        • 다만, 규칙을 설정해도 규칙이 완벽하게 지켜지지는 않으므로, 규칙에 대한 적절한 예시도 함께 제시하는 게 좋음

  • Label Denoising

    • Denoising Tool
      • CleanLab
        • DL기반의 text embedding 모델에 linear layer를 추가하고 해당 layer에 대한 학습을 통해, classification task 수행
          • 학습 코드의 용이함과 CleanLab과의 호환성을 고려하여, logistic regression을 적용하는 방식으로 linear layer 대체
          • logistic regression에서 더욱 확장하여, SVM⋅Random Forest 등 다양한 ML 모델 적용 및 앙상블
        • 각 label 별 predicted probability에 대해 threshold를 설정하고, 해당 threshold 이하일 경우 labeling error로 판단
          • 일반적으로 threshold는 각 label로 예측된 데이터에 대해 predicted probability의 평균값 활용
          • Over-correcting을 방지하기 위하여, Mis-labeling data의 개수에 맞춰 threshold 조정 시도
      • 결과
        • logistic regression
          • Accuracy : 0.8237 / F1-score : 0.8218
        • ensemble
          • 모델 구성 : logistic regression, randomforestclassifier, SVM
          • Accuracy : 0.8266 / F1-score : 0.8241

  • Augmentation

    • C-BERT
      • BERT 기반의 Masked LM을 활용한 유사어 대체 증강 기법
      • BERT 모델의 input에 label embedding을 추가하여, label 정보를 반영한 증강 구현
      • 결과
        • train data 상의 noise로 인해, label embedding에 대한 적절한 학습이 어려움
        • 토큰을 각종 특수문자로 예측하는 경우 발생
    • 유의어 대체
      • Masked LM을 활용한 유사어 대체 증강 기법
      • 결과
        Accuracy F1-Score
        증강 전 0.8275 0.8246
        증강 후 0.8297 0.8269
    • Back Translation
      • 한국어를 영어로 번역한 뒤 다시 한국어로 번역하여, 번역 과정에서 발생하는 언어 표현의 다양성 활용
      • 번역 모델의 활용에 있어서 번역 자체의 품질은 매우 중요
      • 한국어 자연어 처리에 특화되어, 한국어 번역 관련해서도 좋은 성능을 보여주는 Kakao brain/Pororo 자연어 처리 프레임워크의 번역 모델 활용
      • 결과
        Accuracy F1-Score
        증강 전 0.7584 0.7546
        증강 후 0.7917 0.7836
        • 번역 과정에서, 기사 제목에서 주로 사용하는 문체 탈피
    • Random word Shuffle
      • Text에 대해 조사를 제외한 단어 순서 임의로 변경하여 데이터 증강
      • 결과
        Accuracy F1-Score
        증강 전 0.8110 0.8050
        증강 후 0.8084 0.8021
        • 임의 변경으로 인해, 문장의 완결성 보존에 한계
        • 기존 표현과 비교해, 다양성 확보에 크게 도움이 되지는 않음
    • Mix-Up
      • Text embedding 기준으로 선형 보간 데이터 생성을 통해 증강
      • 여러 label에 대한 데이터를 교차로 mix할 경우 label 배정에 문제가 있으므로, 각 label 별로 적용
      • 결과
        Accuracy F1-Score
        증강 전 0.8266 0.8241
        증강 후 0.8185 0.8173

  • 최종 제출 모델

    • Text denoising 과정에서 발생할 수 있는 원본 훼손에 대비하여, denoising 후 원본 텍스트에 증강하는 방식 활용
    • Llama, Gemma model 각각 denoising 결과에 차이가 있으므로, 각각의 결과를 모두 활용
    • 기타 성능 향상을 확인할 수 있었던 back translation, 유의어 대체 활용
    • 결과
      • Accuracy : 0.8401 / F1-score : 0.8365