4 个月前

学习可控滤波器以实现旋转等变卷积神经网络

学习可控滤波器以实现旋转等变卷积神经网络

摘要

在许多机器学习任务中,希望模型的预测在输入变换时以等变的方式进行变换。卷积神经网络(CNNs)通过其结构设计实现了平移等变性;然而,对于其他变换,它们则需要学习正确的映射关系。在这项工作中,我们开发了可转向滤波器卷积神经网络(Steerable Filter CNNs, SFCNNs),该网络通过设计实现了平移和旋转的联合等变性。所提出的架构采用了可转向滤波器,能够高效地计算多种方向下的响应,而不会因滤波器旋转导致插值误差。我们利用群卷积来保证等变映射。此外,我们将He的权重初始化方案推广到定义为原子滤波器线性组合的滤波器上。数值实验表明,随着采样滤波器方向数目的增加,样本复杂度得到了显著提升,并且验证了网络能够在不同方向上泛化已学模式。所提出的方法在旋转MNIST基准测试和ISBI 2012 2D电子显微镜分割挑战赛中达到了最先进的水平。

基准测试

基准方法指标
breast-tumour-classification-on-pcamSteerable G-CNN (e)
AUC: 0.963
breast-tumour-classification-on-pcamSteerable G-CNN (C8)
AUC: 0.971
breast-tumour-classification-on-pcamSteerable G-CNN (C8)
AUC: 0.969
breast-tumour-classification-on-pcamSteerable G-CNN (C12)
AUC: 0.969
colorectal-gland-segmentation-on-cragSteerable G-CNN (e)
Dice: 0.848
F1-score: 0.811
Hausdorff Distance (mm): 175.9
colorectal-gland-segmentation-on-cragSteerable G-CNN (C8)
Dice: 0.888
F1-score: 0.861
Hausdorff Distance (mm): 139.5
colorectal-gland-segmentation-on-cragSteerable G-CNN (C12)
Dice: 0.870
F1-score: 0.855
Hausdorff Distance (mm): 156.2
colorectal-gland-segmentation-on-cragSteerable G-CNN (C12)
Dice: 0.869
F1-score: 0.837
Hausdorff Distance (mm): 164.8
multi-tissue-nucleus-segmentation-on-kumarSteerable G-CNN (e)
Dice: 0.791
Hausdorff Distance (mm): 51.0
multi-tissue-nucleus-segmentation-on-kumarSteerable G-CNN (C12)
Dice: 0.818
Hausdorff Distance (mm): 54.3
multi-tissue-nucleus-segmentation-on-kumarSteerable G-CNN (C4)
Dice: 0.809
Hausdorff Distance (mm): 54.2
multi-tissue-nucleus-segmentation-on-kumarSteerable G-CNN (C12)
Dice: 0.820
Hausdorff Distance (mm): 55.8
rotated-mnist-on-rotated-mnist-1Steerable Filter CNN
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