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Image net classification　with Deep Convolutional Neural Networks

黒船がやってきた！！

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IMAGENet Classification 輪＿ with Deep Convolutional Neural Networks 講： NIPS ‘12 2012 / 12 / 20 本位田研究室 M1 堀内 新吾
発表論文 『IMAGENet Classification with Deep Convolutional Neural Networks』 会議：NIPS 2012 著者：Alex Krizhevsky, Ilya Sutskever, Geoffrey E Hinton トロント大学のHinton先生と愉快な仲間たち
Object Recognition 応用例： • カメラの顔認識 • 自動レジ • ロボットの目 • etc… 近年の傾向： • クラス数 • 訓練画像数 • 特徴量の複雑化 Cat? Leopard?
ILSVRC2012 IM GENET Large Scale Visual Recognition Challenge • 世界最大規模の画像認識コンテスト カテゴリ数 訓練画像 検査画像 テスト画像 1000 120万枚 50000枚 150000枚 ※ ↑をダウンロードするだけで一週間かかる Difficulty: – データサイズの問題 – 訓練画像の数の多さの問題 – 識別の複雑さの問題
Typical OR Approach 訓練画像 特徴抽出 特徴量 学習 クラスラベル クラス 分類機 ﾃｽﾄ画像 特徴量 識別 クラスラベル 特徴抽出 “どんな特徴量を使う か”が最重要、だった
Proposal Approach 訓練画像 Deep クラスラベル Conventional Neural クラスラベル ﾃｽﾄ画像 Networks • 内部で自動で特徴抽出 • 各層の間に荷重付き枝を持つようなNeural Network
Result of ILSVRC 2012 Error Rate 0.4 34% 0.3 29% 27% 27% 26% 0.2 16% 0.1 0 わけが わからない よ
Agenda • Overview • ImageNet • Architecture – Deep Learning – Convolutional NNs – Acceleration – Reducing Overfitting • Learning • Result and Evaluation
Intro.
Overview why? 実世界におけるクラス分類に耐える識別機を作 る 史上最大規模のNeural Network how? それを動かせるGPU what? Reasonableな時間で圧倒的な性能を出した Reasonableな時間で圧倒的な性能を出した contrib. GPU用のコードを公開した
IM GENET WordNetの階層に従う画像データベース url: http://www.image-net.org/ • カテゴリ22000 • 画像：1500万枚 １画像１カテゴリでbounding-boxや各種特徴量も配布 ex.)Chain-mailカテゴリの画像
Architecture
Deep Learning Output 識別機 教師あり学習 教師なし学習 Input
Deep Learning Output Traditional Approach Greedy Layer-wise Training[1] • まとめて学習 識別機 • 一層ずつ学習 • 多層autoencoder • 一層のautoencoder × 時間  時間 × 効率  効率 × Vanishing Gradient × Overfitting Problem Input
Convolutional NNs[2] • ＮＮsの問題 各ユニットが全て繋がっている ↓ • 提案１ • 入力の欠損 • 入力のズレ • ノイズ • 提案２ の影響をＮＮｓ全体が学習してしまう • 提案３
Convolutional NNs[2] • ＮＮsの問題 各ユニットへの入力を制限 • 前の層の一部のユニットの出力だけを受け取る フィルタのようなもの • 提案１ → 入力の誤差を全体に伝搬させない • 入力範囲はオーバーラップするように選ぶ • 提案２ データの欠損に対応するため • 提案３
Convolutional NNs[2] • ＮＮsの問題 重みを共有 • 入力範囲の同じ入力座標は同じ重みをもつ • 提案１ • 同じフィルタを使って圧縮するイメージ → フィルタに対する入力の傾向を学習 → 入力のズレ，ノイズに対応 • 提案２ 問題: １つのフィルタについてしか学習できない • 提案３
Convolutional NNs[2] • ＮＮsの問題 フィルタの数を増加 • 多数のフィルタを用意して出力を多次元化 異なる重みをもつ複数のフィルタを学習 • 提案１ • 様々な特徴を学習可能 • 提案２ • 提案３
Architecture of CNNs 5層のCNNｓ + 3層のNNｓ • 入力：150,528次元 • ニューロン：約66万個，GPU2台に配置 253,440 – 186,624 – 64,896 – 64,896 – 43,264 – 4096 – 4096 • 出力：1000次元
Acceleration ReLU Local Response Overlapping GPU2台の学習 Pooling 非線形変換 正規化
Acceleration ReLU Local Response Overlapping GPU2台の学習 Pooling 非線形変換 正規化 ニューロンのモデ ル 入力 x : 前の層の出力を各枝ごとに重み付けしたも の 出力 f(x): 入力に非線形な変形を加えたもの ex.) f(x) = tanh(x), (1 + e-x)-1 f(x) 問題点 : 莫大な回数行うとなると遅すぎる -> もっと単純な変形で出力を決定したい ＲｅＬＵ 非線形変換 f(x) = max(0, x) 予備実験において6倍速くネットワークを収束
Acceleration ReLU Local Response Overlapping GPU2台の学習 Pooling 非線形変換 正規化 GPU間のデータのやり取りを制限 - 2,3層間，5,6層間，6,7層間だけ
Acceleration ReLU Local Response Overlapping GPU2台の学習 Pooling 非線形変換 正規化 • ReLU非線形変換の入力は全部負だとダメ → 近傍のフィルタの同じ座標の重みで正規 化 予備実験では約2％の性能向上 厚み：N この範囲で正規化す
Acceleration ReLU Local Response Overlapping GPU2台の学習 Pooling 非線形変換 正規化 • 近傍の出力をまとめる 出力: 平均，最大値，etc… • 一般的には範囲を分ける 図:Poolingのイメージ →Overlapさせることでズレを 吸収 図:3×3, Overlap 1の例 0.3~0.4％の性能向上
Reducing Overfitting  試験前に必死で勉強  とりあえず丸暗記  問題集は完璧！！  応用問題しか出ない  暗記だけだからヤバい  勉強しない方が良かった
Reducing Overfitting データの拡張 バリエーションを増やす Dropout ラベルを保存するような変換 1. トリミング+鏡像 訓練時：ランダムに切り取る テスト時：中央＋4隅 2. 輝度の変更 主成分分析を利用 ガウス分布から固有値を抽出 固有値と乱数で輝度を変更 約1％の性能向上
Reducing Overfitting Dropoutなし データの拡張 バリエーションを増やす Dropout[3] ラベルを保存するような変換 • 出力の半分を0にする 1. トリミング+鏡像 CNNsなので重みは共有 訓練時：ランダムに切り取る → 他の部分で学習は可能 テスト時：中央＋4隅 Dropoutあり 2. 輝度の変更 • 他ニューロン任せをやめる 主成分分析を利用 ガウス分布から固有値を抽出 NNｓは影響度の高いニューロン に 固有値と乱数で輝度を変更 学習をまかせてしまうことがあ 約1％の性能向上 る 図：手書き数字画像から得た特徴
Learning
Learning • 学習アルゴリズム：確率的勾配降下法 • 重みの初期化： 平均0のガウス分布からサンプリング • 学習回数：90回 2台のGPUで5，6日かかった
Result & Evaluation
Result error rate 図：ILSVRCの結果 圧倒的なエラー率の低さ
Sub-Result • CNNsの構造の変化に対する性能評価 ＊付きは2011年のデータも使って事前学習したものを利用
Qualitative Evaluation 1層目のレイヤーの出力．上: GPU1，下: GPU2 • 1層目が獲得した特徴 – GPU1：傾き – GPU2：色 • 脳の視覚野にも異なる性質に反応する部位が存 在 ↑GPU間の通信を制限したことによるのではない か？
Application
Summary
Sammary 実世界にも応用可能な識別問題を解くために CNNsとDeep Learningを用いた巨大なネットワーク を GPU2台の上に実装し ImageNetのコンテストに応用したら 常識破りな結果が出ちゃった＾＾
Refference [1]Deep Learning: A fast learning algorithm for deep belief nets, GE Hinton, S Osindero, YW Teh - Neural computation, 2006. [2]CNNs: Face recognition: A convolutional neural-network approach, S Lawrence, CL Giles,et al. Neural Networks, IEEE Transactions on 1997 参考http://ceromondo.blogspot.jp/2012/09/convolutional-neural-network.html [3]Dropout: Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors, GE Hinton, N Srivastava, A Krizhevsky, et al. 2012

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  • 6.
    Proposal Approach 訓練画像 Deep クラスラベル Conventional Neural クラスラベル ﾃｽﾄ画像 Networks • 内部で自動で特徴抽出 • 各層の間に荷重付き枝を持つようなNeural Network
  • 7.
    Result of ILSVRC2012 Error Rate 0.4 34% 0.3 29% 27% 27% 26% 0.2 16% 0.1 0 わけが わからない よ
  • 8.
    Agenda • Overview • ImageNet •Architecture – Deep Learning – Convolutional NNs – Acceleration – Reducing Overfitting • Learning • Result and Evaluation
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  • 10.
    Overview why? 実世界におけるクラス分類に耐える識別機を作 る 史上最大規模のNeural Network how? それを動かせるGPU what? Reasonableな時間で圧倒的な性能を出した Reasonableな時間で圧倒的な性能を出した contrib. GPU用のコードを公開した
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    IM GENET WordNetの階層に従う画像データベース url: http://www.image-net.org/ • カテゴリ22000 • 画像：1500万枚 １画像１カテゴリでbounding-boxや各種特徴量も配布 ex.)Chain-mailカテゴリの画像
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  • 13.
    Deep Learning Output 識別機 教師あり学習 教師なし学習 Input
  • 14.
    Deep Learning Output Traditional Approach Greedy Layer-wise Training[1] • まとめて学習 識別機 • 一層ずつ学習 • 多層autoencoder • 一層のautoencoder × 時間  時間 × 効率  効率 × Vanishing Gradient × Overfitting Problem Input
  • 15.
    Convolutional NNs[2] • ＮＮsの問題 各ユニットが全て繋がっている ↓ • 提案１ • 入力の欠損 • 入力のズレ • ノイズ • 提案２ の影響をＮＮｓ全体が学習してしまう • 提案３
  • 16.
    Convolutional NNs[2] • ＮＮsの問題 各ユニットへの入力を制限 • 前の層の一部のユニットの出力だけを受け取る フィルタのようなもの • 提案１ → 入力の誤差を全体に伝搬させない • 入力範囲はオーバーラップするように選ぶ • 提案２ データの欠損に対応するため • 提案３
  • 17.
    Convolutional NNs[2] • ＮＮsの問題 重みを共有 • 入力範囲の同じ入力座標は同じ重みをもつ • 提案１ • 同じフィルタを使って圧縮するイメージ → フィルタに対する入力の傾向を学習 → 入力のズレ，ノイズに対応 • 提案２ 問題: １つのフィルタについてしか学習できない • 提案３
  • 18.
    Convolutional NNs[2] • ＮＮsの問題 フィルタの数を増加 • 多数のフィルタを用意して出力を多次元化 異なる重みをもつ複数のフィルタを学習 • 提案１ • 様々な特徴を学習可能 • 提案２ • 提案３
  • 19.
    Architecture of CNNs 5層のCNNｓ+ 3層のNNｓ • 入力：150,528次元 • ニューロン：約66万個，GPU2台に配置 253,440 – 186,624 – 64,896 – 64,896 – 43,264 – 4096 – 4096 • 出力：1000次元
  • 20.
    Acceleration ReLU Local Response Overlapping GPU2台の学習 Pooling 非線形変換 正規化
  • 21.
    Acceleration ReLU Local Response Overlapping GPU2台の学習 Pooling 非線形変換 正規化 ニューロンのモデ ル 入力 x : 前の層の出力を各枝ごとに重み付けしたも の 出力 f(x): 入力に非線形な変形を加えたもの ex.) f(x) = tanh(x), (1 + e-x)-1 f(x) 問題点 : 莫大な回数行うとなると遅すぎる -> もっと単純な変形で出力を決定したい ＲｅＬＵ 非線形変換 f(x) = max(0, x) 予備実験において6倍速くネットワークを収束
  • 22.
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  • 23.
    Acceleration ReLU Local Response Overlapping GPU2台の学習 Pooling 非線形変換 正規化 • ReLU非線形変換の入力は全部負だとダメ → 近傍のフィルタの同じ座標の重みで正規 化 予備実験では約2％の性能向上 厚み：N この範囲で正規化す
  • 24.
    Acceleration ReLU Local Response Overlapping GPU2台の学習 Pooling 非線形変換 正規化 • 近傍の出力をまとめる 出力: 平均，最大値，etc… • 一般的には範囲を分ける 図:Poolingのイメージ →Overlapさせることでズレを 吸収 図:3×3, Overlap 1の例 0.3~0.4％の性能向上
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    Reducing Overfitting  試験前に必死で勉強  とりあえず丸暗記  問題集は完璧！！  応用問題しか出ない  暗記だけだからヤバい  勉強しない方が良かった
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  • 27.
    Reducing Overfitting Dropoutなし データの拡張 バリエーションを増やす Dropout[3] ラベルを保存するような変換 • 出力の半分を0にする 1. トリミング+鏡像 CNNsなので重みは共有 訓練時：ランダムに切り取る → 他の部分で学習は可能 テスト時：中央＋4隅 Dropoutあり 2. 輝度の変更 • 他ニューロン任せをやめる 主成分分析を利用 ガウス分布から固有値を抽出 NNｓは影響度の高いニューロン に 固有値と乱数で輝度を変更 学習をまかせてしまうことがあ 約1％の性能向上 る 図：手書き数字画像から得た特徴
  • 28.
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    Learning • 学習アルゴリズム：確率的勾配降下法 • 重みの初期化： 平均0のガウス分布からサンプリング • 学習回数：90回 2台のGPUで5，6日かかった
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