两篇论文之CNN中正交操作

Posted 2020-12-25 dingz

　　CNN的权值正交性和特征正交性，在一定程度上是和特征表达的差异性存在一定联系的。

　　下面两篇论文，一篇是在训练中对权值添加正交正则提高训练稳定性，一篇是对特征添加正交性的损失抑制过拟合。

第一篇：Orthonormality Regularization

Xie D, Xiong J, Pu S. All You Need is Beyond a Good Init: Exploring Better Solution for Training Extremely Deep Convolutional Neural Networks with Orthonormality and Modulation[J]. 2017.

contributions

作者针对较深较宽网络训练困难（梯度弥散和爆炸），信号在网络传输不够稳定，提出了两点：

1.强调Conv+BN+ReLU这种module在训练中的必要性

2.提出一种权值的（Orthonormality Regularization）正交正则

另附BN层作用

BN能保证输入和输出的分布一致，从而避免出现梯度弥散和梯度爆炸的情况。

 

使用公式说明：

当w的N次方过小或者过大时，会出现对应的梯度弥散和梯度爆炸。
而经过BN处理后，会生成均值为0，方差为1的高斯分布（假设输入是高斯分布），从而解决了w的尺度所带来的问题。

Orthonormality Regularization

　　y = WTx，如果||y|| = ||x||，则我们称这种线性变化是保范的，等价条件是W属于正交矩阵，如下式推导：

　　即可计算出正交正则，用于替代SGD中的L2 正则：

experiments

采用44层的残差网络在CIFAR-10数据集上进行训练和测试。两组实验进行对比：
1. 正交初始化+正交正则
2. msra初始化+L2正则

权值非相关性变化过程:
计算网络中各同层卷积核之间的相似度的平均值，作为网络的权值相关系数

 

最终性能结果：

第二篇：DeCov Loss

 Cogswell M, Ahmed F, Girshick R, et al. Reducing Overfitting in Deep Networks by Decorrelating Representations[J]. Computer Science, 2015.

a conference paper at ICLR 2016

　　　作者发现特征相关性较大时，特征差异小，模型泛化较差。而常用的增强泛化的方法是，提高样本多样性和dropout。

contributions

　　提出DeCov Loss增强特征的非相关性，提高模型泛化性能

特征相关性和泛化性能关系的讨论

　　特征相关性，使用特征的协方差矩阵C的Frobenius范数作为指标。 用以下指标描述第i个和第j个激活值的相关性。值越大，相关性越大。

　　泛化性能，使用训练准确率和验证准确率的差值作为指标，差值越小说明泛化越好。

 

Decov Loss

矩阵的C的Frobenius范数：

 协方差：

反应两组随机变量的相关性，相关系数如下，其中 ，等于0即为完全非相关，等于1为完全相关。

当特征完全非相关的理想情况下，协方差矩阵C是一个对角阵。便有了以下的loss：

对应的梯度计算是：

　　

experiments

使用NIN网络，DeCov作用于avg pool层，DeCov Loss和dropout搭配使用泛化性能更好