Berwyn's Blog

总结

• 本文的主旨是将生成proposal的过程也使用神经网络处理，并且共享了classification的中间卷积结果，大大减少了proposal过程的用时

RPN网络结构

• 用一个n*n(本文用3)的卷积核在classification的最后一层卷积出来的feature map上滑动
• 以每个feature为中心生成3(不同尺寸)*3(不同比例)的定长proposal 特征vector(在训练时与图片边界产生交叉的proposal丢弃)
• 然后在这个vector后面接两个1*1卷积，得出两组结果
  • 一组表示这个proposal有待检测物体的概率(2个数 softmax)
  • 一组表示边界框的位置(4个数)
• 根据有物体的概率做NMS(阈值0.7)
• 这种生成proposal的方式具有平移不变性

网络训练

总结

• 本文是结合RCNN和SPPnet的改进版本
  • 大幅提成训练/测试速度
  • 实现端对端一体化训练

对前作缺点分析

• RCNN
  • 多阶段训练
  • 训练慢，也占用硬盘空间
  • inference也慢
• SPPnet
  • 多阶段训练
  • fine-tuning阶段无法更新conv网络参数

网络结构

总结

• 新的detection方法的特点
  • 利用了高拟合能力的卷积神经网络
  • 缓解了训练detection任务数据量少的问题

物体定位问题

旧方案：

• 当成回归问题做——效果不好
• 用滑动窗口做——新的数据集图片比较大，不适合

总结

• 文章首先说明了学习一个概率密度的传统方法使用KL散度
• 但是KL散度在两个低维流形的概率分布中不好使，因为他们没有无法忽视的重叠，从而散度是一个常数。通过加噪声可以补救这个问题，但是并不是一个好方法（对于GAN来说会使生成的图片模糊不清）
• 对于传统方法，目前的新方法是从一个固定分布$p(z)$随出一个随机变量$z$然后将$z$放入一个函数映射$g_\theta : z \rightarrow x$得到一个服从$P_\theta$分布的样本。
  • 这样做有两个好处，一个是这种方式可以更合更低维度的分布
  • 另外这种方式可以更加方便的生成新样本
• 接下来作者开始分析WGAN中使用Wasserstein距离代替原来JS散度的原因，从这种距离的性质入手
  • 如果$g_\theta$是连续的那么$W(P_r, P_\theta)$也是连续的
  • 如果$g$是K利普希茨连续，那么$W(P_r, P_\theta)$几乎在全部可导
  • 上述两条性质对于JS散度不成立，所以我们选用Wasserstein距离代替KL散度
• 为了让$g_\theta$保持利普希茨连续，我们将网络中所有参数控制在[-0.01, 0.01]区间内
  • 这个数值不宜太大，否则会使收敛速度过慢
  • 不宜太小，否则可能会导致梯度消失
• 使用W距离后判别器损失函数为$-(f_w(x) - f_w(g_\theta(z)))$, 生成器损失函数为$-f_w(g_\theta(z))$
• 因为W距离连续可导，所以在交替训练的过程中可以将分类器训练至收敛，不必向以往一样两步分类器一步生成器
• WGAN的显著优势：
  • 不会模型坍塌——W距离连续得到的另外一个好处是不会导致模型坍塌；对于原始损失函数来说，判别器的输出是个二分类结果，那么对于最优的分类器来说，生成器的最终结果只能是坍塌即生成真实图像训练样本；换成W距离后，判别器输出的是距离，是回归问题，不会导致坍塌
  • WGAN提升了稳定性——由于我们在交替训练过程中可以把判别器训练到局部最优，判别器越精确，梯度也就越精确，训练也就越稳定
  • 有实际意义的损失函数——WGAN的生成器损失函数可以当做模型训练进度的可量化指标，不用向以往一样人肉观察生成出来的样本来做判别模型好坏的标准；但是需要注意不能拿这个指标衡量不同结构的模型
• optimizer的选择：训练的时候由于交替训练，损失函数不要使用基于动量的（如Adam）optimizer，改用RMSProp，一般在这种梯度不稳定的情况下表现的不错

Introduction

• when we learn a probability distribution, This is often done by defining a parametric family of densities $P_\theta (\theta \in R^d)$ and finding the one that maximized the likelihood on our data, this amounts to minimizing the Kullback-Leibler divergence $KL(P_r||P_g)$
• but It is then unlikely that the model manifold and the true distribution’s support have a non-negligible intersection
• the typical remedy is to add a noise term to the model distribution
• the added noise term is clearly incorrect for the problem, but is needed to make the maximum likelihood approach work

now:

总结

• 本文主要是通过数学的方法分析现有GAN训练中存在的问题
• 先从KL散度入手——散度不对称对于两种不同的损失（真实分布存在而生成分布不存在；真实分布不存在而生成分布存在）给予了两种截然不同的惩罚
• 然后分析了训练过程不稳定的原因
  • 当生成器的损失函数是$E_{x \sim P_r}[logD(x)] + E_{x \sim P_g}[log(1 - D(x))]$=$ 2JS(P_r||P_g) - 2log2$时，在分类器最优时，此损失函数是一个常数(低维流形理论JS散度一直为常数$log2$)，根本没有梯度，所以随着存在梯度消失的问题
  • 当生成器的损失函数是$-logD$ = $KL(P_g||P_r) - 2JS(P_r||P_g)$时有两个问题。第一个是两个散度的优化方向矛盾，一个是让两个分布尽量近一个是尽量远，导致训练方向不稳定；另外KL的散度加大了对于$P_r = 0 且 P_g = 1$的惩罚，导致模型坍塌
• 提出解决方案——给两个分布加噪音，使两个低维流形维度升高，产生重叠，从而使JS散度不为常数，之后慢慢将噪声去除
• 提出Wasserstein距离，但是没有过多讨论，留到下一篇Wasserstein GAN再说

Abstract

this paper is proposed to make theoretical steps towards fully understanding the training dynamics of GANs

three sections:

总结

• 本文提出了一个对于GAN的另外的应用场景——使用模型的中间结果作为特征
• 首先提出了新的generator结构，在之前CNN的基础上做了优化；其中的trans_conv/deconv/反向卷积结构其实是等同于CNN中的反向传播求梯度过程，是在深层传来的梯度值得基础上左乘卷积核矩阵，详见此处
• 在训练GAN的时候提出了解决generator记忆样本问题的方法：将训练样本降维然后建hash表，对于所有生成出来的在hash表中有碰撞的样本全都舍弃
• 对于模型表达能力的证实
  • 在无监督训练中，作为特征提取器超过了KNN的效果（CIFAR-10数据集）
  • 在有监督训练中，作为特征提取器达到了最好的效果（SVHN数据集）
• 对于模型可视化的探索：
  • 在z中做差值，可以观察到生成图像的渐变
  • 对D中的filter做可视化
  • 操作z以达到特定目的：
    • 指定取消某个物体
    • 通过z的向量运算，产生图像的运算

Abstract

in this paper we hope to help bridge the gap between the success of CNNs for supervised learning and unsupervised learning

Introduction

总结

• 在GAN的基础上加上了条件输入（对于D和G同时加）
• 目标函数改为$\underset {G} {min} \underset {D} {max}V(D,G) = E_{x \sim p_{data}(x)}[logD(x|y)] + E_{z \sim p_z(z)}[1 - log(D(G(z|y)))]$
• 如果没有对于条件的需求在实验中有CGAN的效果并不比GAN的效果好
• CGAN可以按照条件输入输出特定的随机值
  • 给定一个数字输出特定数字的手写图片
  • 给定一个图片输出该图片的tag 概率分布，取较大者作为图片的tag，实现自动化tagging

Abstract

this net can be constructed by adding condition information to both generator and discriminator

Introduction

总结

• 生成对抗网络由生成器G和分类器D组成，生成器G接受噪音生成样本，D负责区分这些样本是否是由D生成出来的
• D和G共同优化目标函数$\underset {G} {min} \underset {D} {max} V(D,G) = E_{x \sim p_{data}(x)}[log(D(x))] + E_{x \sim P_{g_z(z)}}[log(1 - D(g(z)))]$ 一个是让值尽量大，一个是让值尽量小，即所谓“对抗”
• 该目标函数会在$p_g = p_{data}$处收敛到最优，即生成分布与训练数据分布完全一致函数值为$-log4$
• 关于收敛性的证明：一个凸函数集合的上界的次梯度（可导的时候等于梯度）完全包含最后函数的梯度，所以在求导做梯度下降的时候整体仍然按照凸函数的性质收敛
• 使用Gaussian Parzen window(youtube视频)方法对模型进行评估, Parzen Window 其实是用已有数据到待测数据点的“距离”平均值来表示待测点出现在已有数据表示的分布上的概率（或者说在已有数据拟合出的概率密度函数上的值）
  • 通用概率密度函数$P(x) = \frac {1} {n}\sum_{i = 1}^{n}\frac {1} {h^d}K(\frac {x - x_i} {h})$
  • Parzen window中的核函数可以有多种，使用Gaussian核的就叫做Gaussian Parzen window$P(x) = \frac {1} {n} \sum^n_{i = 1}\frac {1} {h\sqrt {2\pi}^d}exp(-\frac 1 2(\frac {x - x_i} {h})^2 )$
  • 算出概率之后再过一遍$score = -log(1 - P(x))$(猜测)
• 优点
  • 不使用马尔科夫链
  • 训练模型的时候不需要inference
  • 可拟合sharp的分布
  • 训练样本并不直接作用于G的训练，保证参数独立
  • 可使用多种模型拟合G和D
• 缺点
  • G和D需要同步训练（两次D一次G）
  • 没有$p_g(z)$分布的显示表示

Abstract

propose a new framework for estimating generative models via adversarial process

simultaneously train two models:

总结

• 本文主要是受微软残差网络⁵的启发，提出新的结构
• 首先讨论了残差的作用
  • 微软的文章⁵认为残差是组成“深”且“宽”的网络的关键
  • 本文觉得不对，残差的效果主要体现在提高训练稳定性上
• 在v3¹⁵的基础上，提出了一些改进方案，并没有说明改进的思路，只是说换了TensorFlow之后可以不做之前的妥协，所以有了v4
• 然后结合了Residual搞出了Inception-ResNet-v1（计算复杂度与v3相近）和其加强版Inception-ResNet-v2（计算复杂度与v4相近）
• 实践表明当网络filter数量超过1000的时候，训练会炸，即使调小学习率也不行，提出了减小残差传播的方法，因子在0.1~0.3左右

实验结果

ILSVRC 2012 数据集

• 1 model; 1 crop; top-5 error:
  • Inception-v4: 5.0%
  • Inception-ResNet-v1: 5.5%
  • Inception-ResNet-v2: 4.9%
• ensemble(4 models; 144 crops); top-5 error:
  • Inception-v4 + 3 * Inception-ResNet-v2: 3.1%

总结

• 本文是按照前作²⁰的思路继续走，寻找更加高效的计算结构

网络结构设计原则

文章提出了四点设计原则：

• 避免网络表达瓶颈，尤其是在前面几层
• 高维特征更容易处理
• 在低维嵌入上可以进行空间聚合不会或者只有少量的信息损失
• 平衡网络的深度和宽度

总结

• 提出问题：在神经网络的训练过程中，后面层的输入是前面网络的输出，所以在前面网络参数变动的时候，后面层的输入分布一直在变化，我们称这种现象为——内部协变量漂移。这种现象会干扰神经网络训练
• 本文提出的BN结构就是希望解决此问题，从而加速网络训练，提升训练稳定性

演变过程

• 传统稳定分布的方式是白化——去除特征之间的相关性然后把分布变为均值为0，方差为1的高斯分布
• 但是这种方式计算量过大且不能处处可导，所以做了两个简化
  • 把每个特征分别做处理
  • 使用mini-batch代替全体训练样本做处理
• 计算量大大降低之后，为了保持增加模型的拟合能力，我们引进了两个可学习参数$\gamma$和$\beta$使用公式$y^{(k)} = \gamma^{(k)}\hat x^{(k)} + \beta^{(k)}$来做变换
• 当$\gamma$等于方差且$\beta$等于均值时，等同于还原成原分布

Inference

总结

• 提出了一个代号为Inception的神经网络结构，开头点出此结构的最大作用是提升计算资源的利用率
• 是NIN的deep版本
• 参考Serre et al. ¹⁵ 用多个size的filter来抽取信息；有两个不同点
  • 所有网络中的filter都是学习得来
  • 重复使用Inception结构组成一个更深的网络
• 又参考了Lin et al. ¹²使用1 * 1的卷积核来提升模型的表达能力；并且可以减少维度，使在同等的计算资源下网络可以更深更宽，从而提升效果
• ILSVRC 2014 数据集
  • 1 model; 1 crops; top5 error: 10.07%
  • ensemble(7 models, 144 crops); top5 error: 6.67%

Inception 诞生的心路历程

• 现如今提升网络效果主要靠提升网络的宽度和深度；这么做有两个问题：
  • 容易过拟合
  • 计算资源需求快速增长
• 因为权重矩阵中有很多的0，因此人们提出从全连接结构改成稀疏链接结构的方式
• 后来证明不行，因为稀疏结构的查找开销太大盖过了计算开销的节省，还不如不用
• 后来提出了用网络结构解决此问题的方式——Inception

Inception结构详解