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[Journal club] OccamNets: Mitigating Dataset Bias by Favoring Simpler Hypotheses

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Transcript

  1. 𝑅𝑜𝑏𝑖𝑘 𝑆ℎ𝑟𝑒𝑠𝑡ℎ𝑎1, 𝐟𝑢𝑠ℎ𝑎𝑙 𝐟𝑎𝑓𝑙𝑒2, 𝑎𝑛𝑑 𝐶ℎ𝑟𝑖𝑠𝑡𝑜𝑝ℎ𝑒𝑟 𝐟𝑎𝑛𝑎𝑛1.3 1𝑅𝑜𝑐ℎ𝑒𝑠𝑡𝑒𝑟 𝐌𝑛𝑠𝑡𝑖𝑡𝑢𝑡𝑒 𝑜𝑓

    𝑇𝑒𝑐ℎ𝑛𝑜𝑙𝑜𝑔𝑊, 2𝐎𝑑𝑜𝑏𝑒 𝑅𝑒𝑠𝑒𝑎𝑟𝑐ℎ, 3𝑈𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑡𝑊 𝑜𝑓 𝑅𝑜𝑐ℎ𝑒𝑠𝑡𝑒𝑟 ECCV 2022 OccamNets: Mitigating Dataset Bias by Favoring Simpler Hypotheses 慶應矩塟倧孊 杉浊孔明研究宀 平野慎之助
  2. 2 • デヌタセットバむアスや疑䌌盞関はモデルの汎化性胜に悪圱響 • 䞀般的なモデルでは、すべおのサンプルに぀いお同じ深さで掚論 − サンプルによっおは䞍必芁な局が存圚 − 䞍必芁な局はデヌタセットバむアスに察する汎化性胜を䞋げる •

    デヌタセットバむアスずは − デヌタセットに掚論に本来無関係な特城が含たれるこず 䟋) クラス分類デヌタセットにおいお船の画像がすべお氎䞊の船である堎合 背景: デヌタセットバむアスによる汎化性胜の䜎䞋 Biased MNIST [Shrestha+, WACV22]
  3. 3 関連研究: 既存手法 特城や問題等 [Kim+, CVPR19] 正則化ず敵察的ネットワヌクを甚いたモデルによりデヌタセット バむアスに察応 デヌタセットバむアスの芁因がわかっおいる必芁がある [Wolczyk+,

    NeurIPS21] 難床の䜎いサンプルに぀いお早期終了を行うこずで掚論時間を削枛 デヌタセットバむアスに察応できおいない [Kim+, CVPR19] [Wolczyk+, NeurIPS21]
  4. 4 提案手法: OccamNets 既存のCNN モデルに接続するモゞュヌルを提案 新芏性 • Early exit −

    Exit Module を導入 ✓ CNNの各局にExit Moduleを接続 ✓ Exit Module で掚論を早期終了を刀断 • Visual Constraint − オッカムの剃刀に則る ✓ 少ない領域から掚論が可胜になる ように孊習
  5. 5 䞻芁モゞュヌル Suppressed CAM Predictor, Output Predictor, Exit Decision Gate

    Exit Module: 3぀のモゞュヌルから構成
  6. 6 Suppressed CAM Predictor: activation mapの生成 GTぞ寄䞎 党画玠のGTぞの寄䞎の平均 : KL-divergence

    loss • 入力: 䞭間特城量 • 出力: class activation map • CAM [Zhou+, CVPR 16] によりclass activation mapを生成 − 泚目領域を狭めるように孊習 • Suppressed CAM Predictorの損倱: − 掚論ぞの寄䞎が小さい画玠の重みを抑制 : クラス数
  7. 7 • class activation map を甚いお掚論 − class activation map

    にGlobal Average Poolingを適甚 Output Predictor: class activation mapから掚論 • 入力: class activation map • 出力: 掚論クラス • Output Predictor の損倱: − 前のブロックで粟床が䜎いサンプルの 重みが倧きくなるように孊習 j-1番目ブロックの Exit decision score 掚論クラス GTクラス
  8. 8 • 早期終了の是非を刀断 − 入力: 䞭間特城量 − 出力: Exit decision

    score • Exit decision score − ReLUå±€+Sigmoid局で蚈算 ✓ 0.5以䞊なら終了 ✓ 0.5未満なら次のブロックに続く Exit Decision Gate: 早期終了を刀断 Exit decision score • Exit decision Gateの損倱: − 掚論が正しい堎合にExit decision scoreが 倧きくなるように孊習
  9. 9 • Biased MNIST − MNISTにテキストの色や背景の柄、無駄曞き など、掚論に無関係な芁玠を付䞎 • COCO-on-Places [Ahmed+,

    ICLR21] − 物䜓を無関係な背景に配眮 • BAR [Nam+, NeurIPS20] − 同じ察象に察しお蚓緎デヌタずテストデヌタ で背景の異なるデヌタセット 実隓蚭定: デヌタセット Biased MNIST COCO-on-Places BAR[Nam+, NeurIPS20]
  10. 10 定量的結果: Biased MNISTの粟床を倧きく䞊回る • Biased MNIST および COCO-on-Places で既存手法を䞊回る性胜

    • BARで既存手法に匹敵する性胜 • 構造倉曎のみでデヌタセットバむアスの圱響が軜枛できるこずを確認 [Pezeshki+, NeurIPS20] [Sagawa+, ICLR20] [Ahmed+, ICLR21]
  11. 11 定量的結果: Biased MNISTの粟床を倧きく䞊回る • Biased MNIST および COCO-on-Places で既存手法を䞊回る性胜

    • BARで既存手法に匹敵する性胜 • 構造倉曎のみでデヌタセットバむアスの圱響が軜枛できるこずを確認 [Pezeshki+, NeurIPS20] Shrestha [Sagawa+, ICLR20] [Ahmed+, ICLR21] +13.9 +0.7
  12. 12 定量的結果: Biased MNISTの粟床を倧きく䞊回る • Biased MNIST および COCO-on-Places で既存手法を䞊回る性胜

    • BARで既存手法に匹敵する性胜 • 構造倉曎のみでデヌタセットバむアスの圱響が軜枛できるこずを確認 [Pezeshki+, NeurIPS20] [Sagawa+, ICLR20] [Ahmed+, ICLR21]
  13. 13 定量的結果: Biased MNISTの粟床を倧きく䞊回る • Biased MNIST および COCO-on-Places で既存手法を䞊回る性胜

    • BARで既存手法に匹敵する性胜 • 構造倉曎のみでデヌタセットバむアスの圱響を軜枛できるこずを確認 [Pezeshki+, NeurIPS20] [Sagawa+, ICLR20] [Ahmed+, ICLR21]
  14. 22 Ablation Study: 各構造の有効性を怜蚌 • 早期終了しない堎合、性胜が䜎䞋 • CAM suppression loss

    を䜿甚しなかった堎合、性胜が䜎䞋 • Output Predictorにおいお粟床が䜎いず刀断されたサンプルの重みを倧きくない堎合、 Biased MNISTの性胜が䞊昇 − Biased MNIST においお倚くのサンプルが早い段階で早期終了 ✓ 深いノヌドで十分な孊習ができなかった可胜性
  15. 23 • attention map が䞍適切 • GTが9のサンプルを0ず予枬 • 背景のバむアスが匷いサンプルでも 適切に泚目

    Biased MNISTにおける远詊 (å·Š: 成功䟋、右: 倱敗䟋) original OccamNet 予枬: 0 OccamNet original 予枬: 7 original OccamNet 予枬: 7
  16. 24 • attention map が䞍適切 • GTが9のサンプルを0ず予枬 • 背景のバむアスが匷いサンプルでも 適切に泚目

    Biased MNISTにおける远詊 (å·Š: 成功䟋、右: 倱敗䟋) original OccamNet 予枬: 0 OccamNet original 予枬: 7 original OccamNet 予枬: 7
  17. 25 • attention map が䞍適切 • ラベルが9のサンプルを0ず予枬 • 背景のバむアスが匷いサンプルでも 適切に泚目

    Biased MNISTにおける远詊 (å·Š: 成功䟋、右: 倱敗䟋) original OccamNet 予枬: 0 OccamNet original 予枬: 7 original OccamNet 予枬: 7 「」郚分付近に 泚目
  18. 26 • 背景 − デヌタセットバむアスや疑䌌盞関が汎化性胜に悪圱響を䞎えるこずがある • 提案手法OccamNets − サンプルごずに局の早期終了を行う ✓

    各局で掚論が䞍十分ず刀断されたサンプルのみ次の局に進む • 結果 − バむアスのあるデヌタセットで既存手法を䞊回る性胜 − 既存手法ず組み合わせるこずで性胜がより向䞊 たずめ
  19. 30 • 早期終了しない堎合、性胜が䜎䞋 • CAM suppression loss を䜿甚しなかった堎合、性胜が䜎䞋 • Output

    Predictorにおいお粟床が䜎いず刀断されたサンプルの重みを倧きくない堎合、 Biased MNISTの性胜が䞊昇 − Biased MNIST においお倚くのサンプルが早い段階で早期終了 ✓ 深いノヌドで十分な孊習ができなかった可胜性 Ablation Study: 各構造の有効性を怜蚌
  20. 31 • 早期終了しない堎合、性胜が䜎䞋 • CAM suppression loss を䜿甚しなかった堎合、性胜が䜎䞋 • Output

    Predictorにおいお粟床が䜎いず刀断されたサンプルの重みを倧きくない堎合、 Biased MNISTの性胜が䞊昇 − Biased MNIST においお倚くのサンプルが早い段階で早期終了 ✓ 深いノヌドで十分な孊習ができなかった可胜性 Ablation Study: 各構造の有効性を怜蚌
  21. 32 • 早期終了しない堎合、性胜が䜎䞋 • CAM suppression loss を䜿甚しなかった堎合、性胜が䜎䞋 • Output

    Predictorにおいお粟床が䜎いず刀断されたサンプルの重みを倧きくない堎合、 Biased MNISTの性胜が䞊昇 − Biased MNIST においお倚くのサンプルが早い段階で早期終了 ✓ 深いノヌドで十分な孊習ができなかった可胜性 Ablation Study: 各構造の有効性を怜蚌
  22. 33 • 早期終了しない堎合、性胜が䜎䞋 • CAM suppression loss を䜿甚しなかった堎合、性胜が䜎䞋 • Output

    Predictorにおいお粟床が䜎いず刀断されたサンプルの重みを倧きくない堎合、 Biased MNISTの粟床が䞊昇 − Biased MNIST においお倚くのサンプルが早い段階で早期終了 ✓ 深いノヌドで十分な孊習ができなかった可胜性 Ablation Study: 各構造の有効性を怜蚌
  23. 34 • 早期終了しない堎合、性胜が䜎䞋 • CAM suppression loss を䜿甚しなかった堎合、性胜が䜎䞋 • Output

    Predictorにおいお粟床が䜎いず刀断されたサンプルの重みを倧きくない堎合、 Biased MNISTの粟床が䞊昇 − Biased MNIST においお倚くのサンプルが早い段階で早期終了 ✓ 深いノヌドで十分な孊習ができなかった可胜性 Ablation Study: 各構造の有効性を怜蚌
  24. 35 • 早期終了しない堎合、性胜が䜎䞋 • CAM suppression loss を䜿甚しなかった堎合、性胜が䜎䞋 • Output

    Predictorにおいお粟床が䜎いず刀断されたサンプルの重みを倧きくない堎合、 Biased MNISTの性胜が䞊昇 − Biased MNIST においお倚くのサンプルが早い段階で早期終了 ✓ 深いノヌドで十分な孊習ができなかった可胜性 Ablation Study: 各構造の有効性を怜蚌
  25. 36 Appendix: 損倱関数 Output Predictor Suppressed CAM Predictor Exit Decision

    Gate • 各モゞュヌルの損倱の合蚈を党䜓の損倱関数ずする : ハむパヌパラメヌタ