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- 1. 1 画像認識 め 深層学習 深層学習 (人工知能学会) 第５章
- 2. 2 担当範囲 1. 階層 ュー ワー 深層学習(田代) 2. 深層 ン ン(扱わ い) 3. 事前学習 周辺(高橋) 4. 大規模深層学習 実現技術(山内) 5. 画像認識 た 深層学習
- 3. 3 こ 発表 目標 1. 画像認識 深層学習 背景 知 2. 畳 込 ュー ワー (CNN) 理解 3. CNN 用い 画像認識 や 方 理解 4. CNN た きを知 5. 教師 し学習 画像認識 手段を知
- 4. 4 CNN 強い 従来法 圧倒 結果 生
- 5. 5 一般物体認識 難しさ 一般物体認識 = general object recognition 研究自体 90年代 遡 当時 難 解決 相当 時間 思わ 難 い？ 無視 べ 画像 変動 鈍感 特徴 抜 出 不変性 類似 区別 識別力 相対 概念 見え
- 6. 6 従来 一般物体認識 方法 分類 いう問題 特徴抽出 分類 段階 分離 捉え 後半 分類 ー ベ ン ベ 付 ンプ 用い 教師あ 学習 処理さ 特徴 手動設計 取 出 難 さ 特徴抽出 (手動設計) 分類 (教師あ ) 特徴
- 7. 7 局所特徴 大域特徴 局所特徴(local feature) 画像 局所的 小領域 考え、 濃淡 特徴量 取 出 言う 大域特徴(global feature) 画像上 選 多数 小領域 対 別々 局所特徴 抽出 、 符号化 びプー ン 上 、 入力画像 枚全体 表 特徴量
- 8. 8 局所特徴(SIFT 抽出) SIFT(Scale Invariant Feature Transform) 最 古 、 一番良 使わ い 手法 、2 プ 構成さ 1. 画像内 ほ 区別 や い顕著 特徴 持 点 選び出 、 同時 周囲 局所的 濃淡構造 大 さ 従 見 べ 領域 大 さ 向 決定 * 2. 領域内部 濃淡構造 表 特徴量 取 出 *物体認識 局所領域 位置・大 さ・向 格子状 機械的 取 多い
- 9. 9 他 局所特徴 抽出方法 SIFT 変わ 数多 局所特徴 提案さ 、 性能向上 度合い そ ほ 大き で い 提案 中 わ い 段階 経 特徴 抽出 必要 あ あ 局所領域 対 、複数 フ 並列 適用 、 結果 何 非線形関数 適用 、 後プー ン 行う いう構造
- 10. 10 符号化 抽出 局所特徴 対 符号化(Encode) 、 付 行う ビ ュ ワー 自然画像 多様性 極 大 い 、 局所部分 多様性 ほ 、有限(数百〜数千) 典型例 類型化さ 仮定 典型例 ビ ュ ワー 名付 多数 画像 多数 点 取 出 特徴量 集合 対 、 ン 実行 、得 数百〜数千程度 中心 得 代 表ベ ビ ュ ワー
- 11. 11 Bag of Features 予 用意 い ビ ュ ワー 用い 画像 枚全体 表現 得 方法 い あ 、最 基本 bag-of-features 用い 各点 局所特徴 同 特徴空間 代表点 あ ビ ュ ワー う 最近傍 置 換え 量子化 犬 さ 猫 さ うさ さ ビ ュ ワー 局所特徴 うさ い
- 12. 12 プー ン 符号化さ 画像 特徴 帯域特徴 得 局所特徴 大域特徴局所特徴 局所特徴 うさ さ さ うさ さ 局所特徴 抽出 符号化 プー ン
- 13. 13 従来法 成功し 理由 以上 方法 一般物体認識 対 、 以前 予想 覆 成功 収 理由 プー ン い 、局所特徴 位置情報 潔 捨 あ さ 同一 見 目 変動 対 不変性 実現 、識別力 局所特徴 依存 為、明 限界 あ
- 14. 14 従来法 CNN 比較 従来法 CNN 共通点 従来法 局所特徴 抽出→プー ン いう手順 CNN 畳 込 層→プー ン 層 いう手順 極 似 い 従来法 CNN 相違点 従来法 局所特徴 抽出 際 フ 設計 決 、 CNN フ ( ) 学習 決定さ 、CNN 第 層 学習 フ 経験的 設計さ 従来法 フ 大 違わ い
- 15. 15 CNN 学習す フィ タ 上 図 MNIST 学習さ CNN 段階目 フ 自然画像 入力 場合 学習さ フ ガボー フィ タ 類似 無色 フ 色や色 変化 関 フ 分さ 事 多い
- 16. 16 ガ ー フィ タ ガボー フィ タ 向 概念 持 、 フ あ 画像中 向 線 含 い 抽出 フ あ 具体的 次元 ン波 次元 ウ 関数 積 生成さ ー フ 例 ー フ 適用例
- 17. 17 従来法(SIFT) 採用さ い 計算 SIFT ８方向 勾配方向 計算 行 い CNN 学習 フ 用い 畳 込 行う 同様 働 考え CNN 色 関 フ 同時 得 、従来法 SIFT 別 色 特徴 抽出 使用 い 従 、 段階目 計算 従来法 CNN 大 差 い 思え
- 18. 18 従来法 大 壁 局所特徴 抽出 う 入力 近い層 工学的 設計 、CNN 学習 発見 中〜上位層 特徴 同 う 設計 従来法 CNN 性能 分 理由 あ 言え
- 19. 19 ネットワー 構造 認識性能 CNN 高い性能 示 理由 従来法 違い 求 CNN 多層性 CNN 構造 (画像 取 出 特徴 学習 獲得 柔軟性 持 ) う 本質的 う ？
- 20. 20 CNN 構造 理由 あ す 考え Jarrett 畳 込 層 フ ン 値 セ 、 全結合層 学習 多項ロ 回帰 場合 十分 認識率 達成 事 示 全結合層 学習 場合 : 53.3% フ 学習 場合 : 54.8% ※ し、こ 学習サンプ 数 少 い場合 み あ 、 学習サンプ 十分 あ 場合 、フィ タ 学習 効果を発揮す
- 21. 21 CNN 部表現 CNN 内部 一体何 表現 い
- 22. 22 CNN 謎 迫 CNN 成功 鍵 多層構造 、 畳 込 層 プー ン 層 繰 返 構造 有用 、説得力 あ 説明 見 い い 第 層 SIFT 似 い 、働 理解 、 以降 全体 ういう働 い わ い CNN 入力 ー 何 、 う 表現 い う ？
- 23. 23 可視化 学習後 CNN 角層 何 い 可視化 試 単純 各層 フ 画像 見 多い 、何 読 取 難 い
- 24. 24 逆畳込みネットワー Zeiler 逆畳込 ワー いう独自 考え CNN 中間層 各 ー 何 見 い 可視化 入力画像 成分 注目 ー 出力値 決定 取 出 表示 結果 ワー 層構造 対応 階層性 示さ
- 25. 25 階層性 階層 深 連 活性化 ーン 複雑化 斜め 線 縦 線 縦 線 横 線 耳 胴体 目 胴体 うさ 耳 うさ 胴体 うさ 目 こ 胴体 楕 五角形 長方形
- 26. 26 脳神経系 関係 高次視覚野 脳皮質 多点電極 刺 、 状態 自 然画像 見 電極 神経細胞 活性 ーン 記録 学習済 CNN 同 画像 入力 、上位層 ー 活性 ーン 記録 CNN 取 出 活性 ーン 用い 神経細胞 振 舞い 回帰 高い精度 予測 可能
- 27. 27 転移学習 CNN 含 多層NN 魅力 学習 通 入力 ー 良い特徴 取 出 う 多層NN 学習 魅力的 性質 う あ あ 程度異 認識 間 学習さ 特徴 共通性 あ
- 28. 28 多層NN 階層性 逆CNN 項 述べ う 多層NN 学習 特徴 層構造 対応 階層性 持 下位層 特徴 普遍性 持 異 間 共有 上位層 特徴 依存性 高い 従 、下位層 NN 転移学習 利用 可能性
- 29. 29 下位層 普遍性 利点 一般物体認識 学習 CNN 用意 CNN 学習自体 一般物体認識 目的 、 学習 ー 規模 大 新 い認識 学習 う 学習 CNN 取 出 特徴 ー ベ ン等 分類 従 大規模 学習 ー 必要 い 方法 達成 認識精度 数多 認識 い 従来法 凌 高い わ い
- 30. 30 教師 し学習 画像認識 自己符号化器 多層 ワー
- 31. 31 単層自己符号化器 局所特徴 学習 画像 局所領域(パ チ) 対象 行う 局所領域 特徴 学習 ー ソウ 3 特徴抽出
- 32. 32 自己符号化器 さ い 得 入力 ー 次元削減(Dimensional Reduction) 目標 教師 学習 次元削減 要 、入力 特徴 適切 抜 出 主 目的 い 順方向 逆 方向 伝搬さ 元 信号 近 う 重 学習 行う
- 33. 33 単層自己符号化器 局所特徴 学習 具体的 方法 ー ー ン フ 独立成分分析 再構成型TICA(Topographic Independent Component Analysis) パー 自己符号化器 ー RBA(Restricted Boltzmann Machine) 名前 紹介 、具体的内容 割愛…
- 34. 34 パー 自己符号化器 ワー 構成 入力層 ー 数 : 𝑆 × 𝑆個 S S 入力画像 切 出 出力層 ー 数 : 𝑁 < 𝑆 × 𝑆 個 𝑾 𝒏𝒆𝒕 𝑎 𝒏𝒆𝒕 = 𝑎 𝑾 + 𝒃 ロ ティ 関数 𝒃
- 35. 35 ロ ティッ 関数 = 𝐾 + 𝑟 𝑥0−𝑥 関数 種 𝐾 = , = , 𝑟 = 左図 ー 適当 設定 ロ 関数
- 36. 36 パー 自己符号化器 自己符号化器 以下 う 表 𝒊 − 𝟐 𝒊 最小化 = 𝑎 𝑾 + 𝒃 = 𝑎 𝑾 + 𝒃 自己符号化器 ー 正則化 加え ー 性 : 0 い値 事 少 う 出力層 ー 入力毎 活性化 う 制約
- 37. 37 パー 自己符号化器 𝑁 𝒊 − 𝒊 𝟐 + 𝛽 𝐷 𝜌 || 𝜌 # of units =𝒊 𝐷 𝜌 || 𝜌 ー 正規化項 𝜌 log 𝜌 𝜌 𝑗 + − 𝜌 log −𝜌 −𝜌 𝑗 𝜌 全学習 ンプ 渡 ー 平均活性度 𝑁 𝜌 平均活性度 目標値 # of units ー 数
- 38. 38 パー 自己符号化器 使用例 CIFAR-10* 対象 局所特徴 抜 出 特徴 教師あ 学習 組 合わ 目的 実行 *一般物体認識 ー セ (http://www.cs.tronto.edu/~kriz/cifar.html)
- 39. 39 多層ネットワー 特徴学習 先ほ ー 自己符号化器 例 単層 ワー 単層 ワー 何層 積 上 積層自己符号化器 使 同様 教師 特徴学習 行う 考え 視覚野 V2領域 ューロン 取 出 言わ い ー ーや ン ョン上 画像特徴 層 深層信念 ワー 学習 獲得 いう報告 RBM 、 個積 上 深層 ン ン(DBM) 使 特徴学習 行 結果MNIST 当時最高水準 認識性能
- 40. 40 深層 学習…？ 先ほ 例 う 学習 高々 ， 層程度 ワー あ 、層数 増や 性能差 対 認 い場合や 層 方 性能 高い場合 多層性 効果 示 い い
- 41. 41 畳み込み層 プー ン 層を持 べ 教師 学習 興味深い結果 CNN同様 畳 込 層 プー ン 層 持 ワー 使 得 1. 畳み込み深層信念ネ トワー 2. 再構成型トポ ラフィッ 独立成分分析
- 42. 42 畳み込み深層信念ネットワー 畳 込 深層信念 ワー = Convolutional deep belief network CNN同様 畳 込 層 プー ン 層 交互積 重 構造 持 ワー 持 ボ マンマ ン 畳 込 層 ー 間結合 疎 ー 間 重 共有 形 特殊 RBM ー 正則化 適用さ 各 ー 振 舞い 確率的 記述 確率的最大プー ン 新 導入 自然画像 対象 教師 学習 行 階層的 特徴 学習さ
- 43. 43 ト フィッ 独立成分分析 入力層、中間層、出力層 層 構造 NN 用い 特徴学習 出力層 ー ー 活性化 う 𝑊 最適化 𝑊 以下 制約 加え 𝑊𝑊 𝑇 = 𝐼 入力層 𝑾 中間層 出力層 プー ン 層
- 44. 44 ト フィッ 独立成分分析 特徴学習 方法 TICA 以下 う 表 min 𝑊 𝜀 + 𝜀 + 局所 ン 正規化 時 出 関数 、 小さ 値 無視 大 値 正規化 事 𝜀 小さ 正 定数
- 45. 45 再構成型ト フィッ 独立成分分析 標準的 TICA 𝑊𝑊 𝑇 = 𝐼 制約 中間層 ー 数 入力層 小さい 前提 あ TICA 冗長 特徴 表現 い 再構成型TICA(reconstruction TICA) 自己符号化器同様 再構成誤差 最小化 TICA 組 込 方法 TICA 重 対 直交性 制約 再構成誤差 最小化 置 換え 形→冗長 基底 学習 可能
- 46. 46 教師 し学習 畳込み プー ン 必要性 前述 、教師 学習 畳 込 層やプー ン 層 構造 埋 込 良い結果 得 うい 構造 持 い場合 大 画像 扱う場合 ワー 規模 大 いう欠点 あ 、 畳 込 層 構造 必要 理由 無い う 思わ