ZFNet论文总结思考

Visualizing and Understanding Convolutional Networks(ZFNet)

  • 论文简述
  • 论文要点
    • 反卷积可视化
      • 反池化
      • 校正
      • 过滤
    • 可视化结果
    • 结构选择
    • 遮挡实验
    • 对应关系分析
    • 泛化能力
  • 思考

论文简述

本文主要通过反卷积(DeConvNet)实现对卷积网络的可视化,理解网络中特征层的函数以及分类器操作,从而实现对网络的优化;本文实现了对AlexNet网络的可视化,并对其进行优化,使分类结果提升。此外,还通过遮挡部分输入图像,进行分类器的敏感性测试,指出对分类产生重要影响的图像部分。


参考文献

  • Zeiler, M., Taylor, G., and Fergus, R. Adaptive deconvolutional networks for mid and high level feature learning. In ICCV, 2011 —deconvnet网络
  • Krizhevsky, A., Sutskever, I., and Hinton, G.E. Imagenet classification with deep convolutional neural networks. In NIPS, 2012 —AlexNet网络

论文要点

反卷积可视化

反卷积网络仍可理解为一种卷积网络模型,因为其使用同样的操作(如过滤,池化等),但与 常见的网络将图像像素映射为特征 相反,其将特征映射至输入像素。与 deconvnet那篇论文(Adaptive deconvolutional networks for mid and high level feature learning)中不同的是,此处不将其用于无监督学习,而是将训练好的convnet展现到输入像素空间中。
ZFNet论文总结思考_第1张图片
图中,左侧为deconvnet层,右侧为convnet层,两者相关联,通过deconvnet将近似重构convnet的低层特征。下侧为反池化操作。
如上图所示,待检测卷积网络的每层均与反卷积网络相关联,使得反卷积最终能映射至图像像素层。过程:将特征图做为相关联的deconvnet的输入,然后经过(i)反池化(ii)校正(iii)过滤,从而重构低层特征。

反池化

卷积网络中的最大池化是不可逆的操作,但我们可以通过记录每个池化区域中最大值的位置,构成switch变量。再在反卷积网络中利用swicth变量,将最大池化值放置到原位置,其余位置填0。

校正

通过校正,确保每层重构的特征图均为正值,与卷积网络中的作用一致。

过滤

反卷积过程中的过滤器是卷积过程中过滤器的转置,相当于将该过滤器进行了水平和垂直上的翻转。

可视化结果

ZFNet论文总结思考_第2张图片ZFNet论文总结思考_第3张图片
可视化结果包含两部分:左侧为重构后可视化结果,只关注每块图像中的判别结构,右侧为相应的图片块, 图像间具有更多的变化。(如第五层,一行,二列,图像块看起来很杂乱,但从可视化结果可以看出特征图的关注点在背景的草坪)。此外,每个特征图都选取了最优的9个激活。

  • 给定特征图可映射至多个像素空间,显示其对输入变形的不变形。
  • 各层的映射显示了网络中特征的层次性。
    ZFNet论文总结思考_第4张图片
  • 训练时的特征演变:低层特征在数次迭代后趋于收敛,而高层特征则需一定数量级的迭代才能有所提升。(逐层优化)
    ZFNet论文总结思考_第5张图片
  • 特征不变形:对于平移和缩放,较小的变形会对第一层特征产生显著的影响,但对高层特征,呈现出拟线性特征,具有较好的鲁棒性。但网络对旋转特征不具有不变性。

结构选择

AlexNet网络中

  • 第一层滤波器是极高频和低频信息的混合,中频覆盖率低。(要么就是灰色,要么就是波纹,较少中频信息,对比结构选择前后的图像,效果比较明显)
  • 第二层产生混叠伪影(沿图像中心向外呈辐射状,并具有锯齿特点的伪影,源于采样不合理导致的频谱混叠。)

遮挡实验

  • 网络模型会定位场景中的物体,且可视化结果反应了激活特征图的图像结构。
  • 遮挡实验的思路很好,类似于控制变量,可以更加清楚的看清问题

对应关系分析

  • 计算遮罩操作所带来的不同图像的变化的汉明距离之和,较低的值表示遮罩操作导致的变化更为一致,因此不同图像中相同对象部分之间的对应关系更紧密。
  • 实验表明网络隐含的学习了不同图像的特定物体间的对应关系(如脸上应该有眼睛和鼻子等)

泛化能力

  • 只重新训练最顶端的分类器层(模型迁移)
  • 改变模型参数,实现多模型融合

思考

本文提供了实用的实验测试方法,如遮挡实验。还全面的讲述了由反卷积带来的可视化效果,并验证可视化的可行性,以及可视化能够实现的验证和优化。很值得深思的一篇论文。

你可能感兴趣的:(深度学习论文)