原文下载地址:https://arxiv.org/pdf/1311.2901.pdf
前几天看的VGG,今天搞一下ZFnet吧,按照顺序应该是 Alexnet然后 ZFnet,之后再VGG的。不过都一样,ZF里有个反卷积我还挺想看看是咋回事的。
简单介绍一下这个论文,ZFnet(Matthew Zeiler和Rob Fergus)是2013 年 ILSVRC 图像分类的冠军,ZFnet是在Alexnet(2012)上做的改进(前两天看的VGG也是Alex上的修改,看来Alex有点强啊,不过这篇也很强,卷积可视化领域鼻祖~)。
所以先看一下Alex再看这个会比较轻松。
CNN基础论文 精读+复现----AlexNet(一)
论文标题:Visualizing and Understanding Convolutional Networks(可视化并理解卷积神经网络)
开头的摘要就直接提出了这篇论文的中心 找到了一种很巧妙的可视化网络中间层特征的方法
。使用这个技巧就打破了在此之前的卷积操作的黑箱,然后利用它改进之前的网络(比如Alexnet)。
摘要中有个单词 ablation
翻译成消融的意思,我还挺费解消融研究是个啥意思,查了查资料,就是 对比试验 的意思。。。
摘要的最后作者说 改进之后的网络模型有很好的 泛化能力 ,既 迁移学习能力(仅改变最后一层的softmax分类器) 并在Caltech-101和Caltech-256数据集上表现很好。
引言部分提出了我们常说的深度学习三大马车:
之后说明了作者在提出的可视化过程叫做 反卷积 Deconvo-lutional Network (deconvnet)。
1.1说了一些有的没的,从第二章就开始介绍可视化方法-反卷积了。
首先构造正常的网络,就还是Alexnet那一套,卷积+Relu+池化+随机梯度下降+反向传播,然后进行正常的卷积操作,我们想看某一层的可视化结果,就指定该层的 feature map不为0,其余的全设为0。然后反向传回到输入(不是梯度的那个反向传播)。
所以 :
正常的是 : 卷积 -> Relu -> 池化
回传: 反池化 -> 反Relu -> 反卷积
反池化就是正常池化的反向操作,在Alex里采用的是最大池化操作。
在正常的最大池化中,提取某一个小区域的最大值作为结果,像下面这样:
可以发现,在正常操作时,假设现在操作的是红色区域,就是最后一个四方块格子的时候,里面的最大值是0.5。
当进行反池化操作时,我们只知道 0.5这个最大值,对于其他的 -0.1,-0.2,0.3这三个元素则不可避免的丢失。
论文中作者使用了一个方法,在正向最大池化操作时,提取出最大值的同时记录了该最大值在原矩阵中的位置,这个操作称为 switches。 什么?switch?突然不想学了
反向操作回去:
除了最大值之外的其他元素不可避免的丢失,像下面这样:
所以反池化并没有真正意义上的完全还原,只是一种近似而已。
反激活函数,像上面那样反着推一边Relu吗?并不是i,而是继续使用一边Relu函数,看一下Relu公式就明白了 f(x) = max(0,x),在正向卷积层中,利用relu这一非线性函数来校正feature maps,使得特征值均为正值,所以根据公式,再用一下Relu就好了。
在正常卷积中,用卷积核和原像素中的窗口点进行相乘再相加,反向卷积过程也是如此,只不过反卷积中的卷积核使用的是原卷积核的转置,就是线性代数里的那个矩阵转置的转置。
卷积过程:
下面蓝色为输入,上面绿色为输出
反卷积过程:
下面蓝色为输入,上面绿色为输出
这一系列的反操作并不是样本图像,也没有生成新的图像,就是一个中间层的投影得到的。
第三章训练细节,使用的也是ImageNet数据集,整体和Alexnet很像。不同点是,Alex将整个数据集放到了两块GPU上,而ZFnet没用两块。
其他的 数据预处理、数据增强、优化器、各种超参数、正则化dropout等 都和Alexnet一样,就不说了。
第四章就是论文的重点了–可视化。
第四页一堆图,直接拿出来说。
可以看到 经过第一层卷积,上面小九宫格(卷积核)的每一个都对应后面九个格子(原图中的top-9)。
既能使上面9个卷积核Feature Map中的数值最大的原图top-9。
左边的图是第二层卷积核得到的特征图通过 反卷积 deconvnet之后映射回原像素空间可视化得到的图像。
所以在这里可以明白,这篇论文就是要看到每一层中间层所提取到的 Feature Map 到底是什么样的。
Feature Map:卷积核卷出来的。
第3,4,5层都是同理。
可以得到俩结论:
后续 :CNN基础论文 精读+复现----ZFnet(二)