2.Spatial Transformer Layer（李宏毅）

1.1简介

CNN并不存在几个特性：
1.Scaling的特性，filter size尺寸固定的情况下，大只狗与小只狗的形状并没有办法自动缩放辨识。
2.Rotation的特性，『3』转过来看起来对机器而言就是『m』。
3.也许仅有些许的Translation，但移动过多情况下对CNN来说也是不一样的。

上图范例，也许照片上有着缩小的『5』、『6』，但对机器而言两个数字应该就是很大，即使是单纯的缩放，对CNN而言也是不一样的东西。
因此Spatial Transformer Layer想做的事就是将图片做旋转缩放，让特征可以符合机器识别。
Spatial Transformer Layer本身也是一个NN layer，可以跟CNN并在一起直接训练，不仅可以Transform输入，所有的feature map都可以。

1.2 核心理论

上图左是transform之前的照片$Laye{r}^{l-1}$，上图右是transform之后的照片$Laye{r}^l$，明显的发现到这个transform是将照片做了平移。
一般fully connect layer来说可以将Output视为Input与Weight的计算加总而得，它也可以做的到Transformation，只要对Weight做一些适当的调整。

上图为例，只要让$a_{nm}^l=a_{(n-1)m}^{l-1}$，就是让这一层$n$的值等于上一层的上一$n$的值。

Weight设计成索引于$mn$米且$i=n-1,=m$的时候，那Weight=1，其余为0，这样就可以达成平移的目的。换句话说，如果要对照片做缩放或旋转的话，只需要对Weight做不同的设计就可以。

只需要对Weight做调整就可以达成平移(左)与旋转(右)的效果，要做到这种调整可以利用NN来控制。

1.3Image Transformation

这边说明照片缩放与平移的作法，原值乘上参数加上平移值。

图上范例为放大两倍，因此乘上参数2，不做平移，因此最后加0。

图下范例为缩小两倍并且移至右上，因此乘上参数0.5最后加上平移值0.5。

如果要将凉宫春日旋转，可以利用Sin, Cos来做调整。

1.4Spatial Transformer Layer

$(x,y),(x^{{}^{\prime }},y^{{}^{\prime }})$是图像的索引，当$(x^{{}^{\prime }},y^{{}^{\prime }})$=(2,3),带入上面公式，可
$(x,y)$=(1,2),其他的变换类似，结果如上图的箭头。

刚才说的是很刚好的得到的解都是整数，但如果不是的话就会有上图的结果，$a_{22}^l$接到小数点的索引，但这种索引是不存在的，因此我们可以将计算所得的索引取四舍五入$(1.6,2.4)\approx (2,2)$，得到$a_{22}^{l-1}$，怪怪的对吧，不能这么做。

注意到，这种情况下是无法利用梯度下降来求解的，梯度是一种将参数做小小的变化，它对Output会有多少影响，对Spatial Transformer Layer的NN参数做小小的改变，也许$x^{{}^{\prime }},y^{{}^{\prime }}$变为1.61,2.39，但四舍五入之后它接到的位置还是一样，代表Output没有任何变化，因此微分是『0』

1.41解决上面出现微分为0的方法

方案：插值

要处理小数点问题，就需要利用Interpolation，求出来的数值是有小数的，而这个小数索引实际上是在四个点$a_{(12)}^{l-1},a_{(13)}^{l-1},a_{(22)}^{l-1},a_{(23)}^{l-1}$的区间内，我们不单纯的参考它跟距离最近的那个点$a_{(22)}^{l-1}$，而是四个点的数值都参考。

这种情况下NN参数有些微的变化的时候Output也会有些微的变化，就可以利用梯度下降来优化求解了。

1.5 完整STN网络结构

这个网络可以加入到CNN的任意位置，而且相应的计算量也很少。
将 spatial transformers 模块集成到 cnn 网络中，允许网络自动地学习如何进行 featuremap 的转变，从而有助于降低网络训练中整体的代价。定位网络中输出的值，指明了如何对每个训练数据进行转化。

2. 应用

1.翻译杂乱的MNIST： 应用于MINIS上，不论数值如何的平移、旋转，对Output都没有影响。
2.街景门牌号
3.鸟类的辨识案例

参考链接