Regularizing Deep Networks with Semantic Data Augmentation

Wang Y., Huang G., Song S., Pan X., Xia Y. and Wu C. Regularizing Deep Networks with Semantic Data Augmentation.
TPAMI.

通过data augments来对数据进行扩充, 可以有效提高网络的泛化性.
但是这些transformers通常只有一些旋转, 剪切等较为简单的变换, 想要施加更为复杂的语义不变变换(如切换背景), 可能就需要GAN等引入额外的网络来进行.
本文提出的ISDA算法是基于特征的变化进行的, 技能进行语义层面的变换, 又没有GAN等方法的计算昂贵的缺点.

主要内容

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作者认为, 在最后的特征层, 通过增加一定的平移对应不同的语义上的变换.
但是, 作者也指明了, 并非所有的方向都是一个有意义的方向, 比如这个方向可能是戴上眼镜, 这个方向对于人来说是有意义的, 但是对于汽车飞机就没有意义了.
所以我们需要从一个有意义的分布中采样, 作者假设该分布是一个零均值的正态分布, 即

[mathcal{N}(0, Sigma). ]

于是乎, 现在的问题就是如何选择这个协方差矩阵(Sigma).
就像之前讲的, 有些方向是否有意义与类别有关系, 所以不同的类别的样本会从不同的正态分布

[mathcal{N}(0, Sigma_i), ]

中采样.
对于每一个协方差矩阵, 作者采用online的更新方式更新:

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上图是式子就是普通的协方差估计式子

[frac{1}{n}sum_{i=1}^n (x_i-mu)(x_i - mu)^T, ]

的online更新版本.
如果假设样本(x)经过encoder之后的特征为(a), 则其变换后的版本

[a' sim mathcal{N}(a, Sigma_y), ]

其中(y)(x)的类别标签. 于是一般的对应的损失函数即为

[mathcal{L}_{M}(M, b, Theta) = frac{1}{N}sum_{i=1}^Nfrac{1}{M}sum_{m=1}^M - log (frac{e^{w_{y_i}^Ta_i^m+b_{y_i}}}{sum_{j=1}^Ce^{w_{j}^Ta_i^m+b_{j}}}), ]

当我们令(M)趋于无穷大的时候,

[mathcal{L}_{M}(M, b, Theta) = frac{1}{N}sum_{i=1}^Nmathbb{E}_{a_i}- log (frac{e^{w_{y_i}^Ta_i+b_{y_i}}}{sum_{j=1}^Ce^{w_{j}^Ta_i+b_{j}}}). ]

这个式子没有显示解, 故作者退而求其次, 最小化其上界.

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这个证明不难, 这里就练习一下

[mathbb{E}[e^{tX}]=e^{tmu + frac{1}{2}sigma^2t^2}, quad X sim mathcal{N}(mu, sigma^2). ]

既然

[mathbb{E}[e^{tX}] = e^{frac{(tsigma^2+mu)^2-mu^2}{2sigma^2}}. ]

代码

原文代码

原文地址:https://www.cnblogs.com/MTandHJ/p/14332306.html