Novelty Detection Via Blurring

ICLR2020論文読み会のために作成していた「Novelty Detection Via Blurring」の説明資料です。

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1. ICLR2020論文読み会 Novelty Detection Via Blurring 2020年2月23日(日) 矢農 正紀 (Masanori YANO)
2. 論文 2 標題: Novelty Detection Via Blurring 著者: Sungik Choi & Sae-Young Chung URL: https://openreview.net/forum?id=ByeNra4FDB https://arxiv.org/abs/1911.11943 ⇒ ぼかした画像を通して新規性(Novelty)を検知する論文 著者の所属は、韓国の国立大学のKAIST OpenReviewのRatingは、3名とも「6」のWeak Accept ICLR2020の「Poster」でAccept 選んだ理由 ・異常検知や新規性の検知に関心があるため
3. 本論文の概要 3 ぼかした画像を通して新規性(Novelty)を検知 ※ 本論文のNovelty＝OOD(Out of Distribution) RND(Random Network Distillation)がベースのOOD検知で、 SVD(Singular Value Decomposition)を使用して画像をぼかす 「SVD-RND」を提案 ・シンプルで、テストのときに効果的 ・さまざまなドメインの画像で、ベースライン手法より上 次頁以降の構成 [1] SVDの概要 [2] RNDの概要 [3] 本論文のSVD-RND
4. [1] SVDの概要(1/3) 4 SVD＝線形代数の特異値分解 ※ 実数に限定して説明 任意の行列の行列に対して、以下の分解が可能[1][2] = ・は行列の直交行列 ・は行列、対角成分は1 ≥ 2 … ≥ > 0、他は全て0 ・は行列の直交行列 直交行列とは ・転置行列が逆行列になる行列: = = ・直交行列の行ベクトルまたは列ベクトルは正規直交基底 ⇒ ベクトルの長さは1で、異なる行・列の内積は0 特異値とは ・行列または行列の固有値の平方根1 ≥ 2 … ≥ ・やは対称行列 ⇒ 対角化可能かつ固有値は非負 は行列のランク ≤ min(, )
5. [1] SVDの概要(2/3) 5 SVD＝線形代数の特異値分解 任意の行列の行列に対して、以下の分解が可能 = 特異値1 ≥ 2 … ≥ > 0は、値が大きいほど影響が大 ⇒ より小さいを選び、+1 以降を0にすると近似が可能 VGAサイズのRGB画像を480行640列の行列3個とみなして 特異値分解を行い、+1 以降を0にして近似した例 = 10 オリジナルの画像[6]
6. [1] SVDの概要(3/3) VGAサイズのRGB画像を480行640列の行列3個とみなして 特異値分解を行い、+1 以降を0にして近似した例(続き) ⇒ ぼかした画像を作成することが可能 = 1 = 5 = 10 = 25 = 100 = 50 6
7. [2] RNDの概要(1/2) 7 RND＝ICLR2019にAcceptされた論文[3] DQN以降、点数が低かった「モンテスマの復讐」で人間超え モンテスマの復讐とは ・深層強化学習のAtari 2600ベンチマークで最難関クラス ・段差を落ちると死に、ジャンプなどのタイミングもシビア ⇒ 報酬となる「スコア」が入る状態が、非常にスパース 「モンテスマの復讐」の スタート直後[5] 「モンテスマの復讐」の スコアの一覧[4]
8. [2] RNDの概要(2/2) 8 RNDは、過去に見ていない状態にボーナスを出す[4] ・画面を入力、ベクトルを出力とする2個のネットワーク ・FEATURESは、ランダムに初期化したネットワークを固定 ・PREDICTORは、FEATURESの出力を真似るように学習 ⇒ 学習していない画面に対しては、出力の差分が大きくなる また、一定周期で学習を行うため、一度でも見た画面は PREDICTORの訓練データに含まれて、差分が小さくなる
9. [3] 本論文のSVD-RND(1/4) 9 もとの画像と、ぼかした画像の両方を真似るRND ・ぼかした画像は、SVDで非ゼロの下位 個の特異値を消す (もとの画像のチャネルごとに、特異値の上位だけ残す) ・学習させるネットワークと、ランダムなネットワーク ・ はランダムなまま固定し、は全てを真似るように学習 推論時はと0 のみ使い − 0 () 2 2で判定
10. [3] 本論文のSVD-RND(2/4) 10 もとの画像と、ぼかした画像の両方を真似るRND ぼかした画像と、そのためのネットワークは 個の設定 本論文の実験では、 = 1または = 2で実施
11. [3] 本論文のSVD-RND(3/4) 11 メインの実験の条件 ・Targetのデータセットに対し、他のデータセットがOOD (例えばCIFAR-10の場合、SVHNなどが来たらOOD検知) ・画像のサイズは、リサイズして32 × 32ピクセルに統一 ・Targetの訓練データの数は、50000個に揃えて学習 ・OODのテストデータのうち、1000個をバリデーションの データとして使用し、ハイパーパラメータの を最適化
12. [3] 本論文のSVD-RND(4/4) 12 メインの実験の結果 ・TPR(True Positive Rate)が95%以上のときのTNR(True Negative Rate) ・/で区切られた3個の値は、各々のOODデータセットの結果 ・一番上の「SVD-RND」は、CelebA以外では最も良い結果 (CelebAでは幾何変換と組み合わせて実験した良い結果も) ・SVDに加え、DCT(離散コサイン変換)やGB(ガウシアン)も
13. まとめ 13 ぼかした画像を通して新規性(Novelty)を検知 ・VQ-VAE(左の図)やRND単体(中央の図)による学習では、 ぼかした画像に高い確信度を割り当てるからと主張 (テストデータに対し、ぼかした画像の方がLossが低い) 所感 ・シンプルで面白い ・32 × 32ピクセルより大きな画像にも有効なのか気になる ・ランダムなネットワークが複数でも機能することが不思議 (初期値が異なると、出力の挙動は、かなり違うのでは？) ・本論文ではResNet34ベースで、表現力の高さが鍵かも この図は、学習の進行に伴う Lossの平均値の変動
14. 参考文献 14 [1] 日本評論社の書籍「線形代数 基礎と応用」 https://www.nippyo.co.jp/shop/book/2763.html [2] 「医用画像工学」講義資料の「特異値分解」 http://www.cfme.chiba-u.jp/~haneishi/class/iyogazokougaku.html [3] Exploration by Random Network Distillation https://arxiv.org/abs/1810.12894 [4] Reinforcement Learning with Prediction-Based Rewards https://openai.com/blog/reinforcement-learning-with-prediction-based-rewards/ [5] Montezuma's Revenge - Atari 2600 https://www.retrogames.cz/play_124-Atari2600.php [6] Wikipediaの「平成」 https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%B9%B3%E6%88%90