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现代深度学习库对大多数操作都具有生产级的、高度优化的实现，这并不奇怪。但这些库究竟是什么魔法？他们如何能够将性能提高100倍？究竟怎样才能“优化”或加速神经网络的运行呢？在讨论高性能/高效DNNs时，我经常会问(也经常被问到)这些问题。 在这篇文章中，我将尝试带你了解在DNN库中卷积层是如何实现的。它不仅是在模型中最常见的和最重的操作，我还发现卷积高性能实现的技巧特别具有代表性——一点点算法的小聪明，非常多的仔细的调优和低层架构的开发。 我在这里介绍的很多内容都来自Goto等人的开创性论文：Anatomy of a high-performance matrix multiplication，该论文为OpenBLAS等线性代数库中使用的算法奠定了基础。 最原始的卷积实现 “过早的优化是万恶之源”——Donald Knuth 在进行优化之前，我们先了解一下基线和瓶颈。这是一个朴素的numpy/for循环卷积： ''' Convolve `input` with `kernel` to generate `output` input.shape =...

机器学习 Hinge Loss Hinge 的叫法来源于其损失函数的图形，为一个折线，通用函数方式为: \[L(m_i) = max(0,1-m_i(w))\] Hinge可以解 间距最大化 问题，带有代表性的就是svm,最初的svm优化函数如下: \[\underset{w,\zeta}{argmin} \frac{1}{2}||w||^2+ C\sum_i \zeta_i \\ st.\quad \forall y_iw^Tx_i \geq 1- \zeta_i \\ \zeta_i \geq 0\] 将约束项进行变形则为: \[\zeta_i \geq 1-y_iw^Tx_i\] 则可以将损失函数进一步写为: \[\begin{aligned}J(w)&=\frac{1}{2}||w||^2 + C\sum_i max(0,1-y_iw^Tx_i) \\ &= \frac{1}{2}||w||^2 + C\sum_i max(0,1-m_i(w)) \\ &= \frac{1}{2}||w||^2 + C\sum_i L_{Linge}(m_i) \end{aligned}\]...

通过卷积和池化等技术可以将图像进行降维，因此，一些研究人员也想办法恢复原分辨率大小的图像，特别是在语义分割领域应用很成熟。 Upsampling（上采样）[没有学习过程] 在FCN、U-net等网络结构中，涉及到了上采样。上采样概念： 上采样指的是任何可以让图像变成更高分辨率的技术 。最简单的方式是 重采样和插值 ：将输入图片进行rescale到一个想要的尺寸，而且计算每个点的像素点，使用如双线性插值等插值方法对其余点进行插值来完成上采样过程。 在PyTorch中，上采样的层被封装在 torch.nn 中的 Vision Layers 里面，一共有4种： PixelShuffle Upsample UpsamplingNearest2d UpsamplingBilinear2d PixelShuffle 当stride = (1/r) < 1时，可以让卷积后的feature map变大——即分辨率变大，这个新的操作叫做sub-pixel convolution，具体原理可以看 “PixelShuffle：Real-Time Single Image and Video...

三维深度学习简介 多视角（multi-view）：通过多视角二维图片组合为三维物体，此方法将传统CNN应用于多张二维视角的图片，特征被view pooling procedure聚合起来形成三维物体； 体素（volumetric）：通过将物体表现为空间中的体素进行类似于二维的三维卷积（例如，卷积核大小为5x5x5），是规律化的并且易于类比二维的，但同时因为多了一个维度出来，时间和空间复杂度都非常高，目前已经不是主流的方法了； 点云（point clouds）：直接将三维点云抛入网络进行训练，数据量小。主要任务有分类、分割以及大场景下语义分割； 非欧式（manifold，graph）：在流形或图的结构上进行卷积，三维点云可以表现为mesh结构，可以通过点对之间临接关系表现为图的结构。 点云的特性 无序性...

概括 这篇文章将卷积比较自然地拓展到点云的情形，思路很赞！ 文章的主要创新点：“weight function”和“density function”，并能实现translation-invariance和permutation-invariance，可以实现层级化特征提取，而且能自然推广到其deconvolution的情形实现分割，在二维CIFAR-10图像分类任务中精度堪比CNN（表明能够充分近似卷积网络），达到了SOTA的性能。 缺点：每个kernel都需要由“kernel function”生成，而“kernel function”实质上是一个CNN网络，计算量比较大。 思想 察觉到：二维卷积中pixel的相对centroid位置与kernel vector的生成方式有关。 以二维卷积为例说明一下如何将卷积拓展到点云。这里只考虑使用一个kernel在一个location的一次卷积操作。 对于二维图像，我们可以将图像的pixels看作是一个点，那么图像就是整齐排列的点阵。每个point都有维度为 \(C_{in}\)...

Hough Voting 本文的标题是Deep Hough Voting，先来说一下Hough Voting。 用Hough变换检测直线大家想必都听过：对于一条直线，可以使用 \((r,θ)\) 两个参数进行描述，那么对于图像中的一点，过这个点的直线有很多条，可以生成一系列的 \((r,θ)\) ，在参数平面内就是一条曲线，也就是说，一个点对应着参数平面内的一个曲线。那如果有很多个点，则会在参数平面内生成很多曲线。那么，如果这些点是能构成一条直线的，那么这条直线的参数 \((r,θ)\) 就在每条曲线中都存在，所以看起来就像是多条曲线相交在 \((r,θ)\) 。可以用多条曲线投票的方式来看，其他点都是很少的票数，而 \((r,θ)\) 则票数很多，所以直线的参数就是 \((r,θ)\) 。 所以Hough变换的思想就是在于，在参数空间内进行投票，投票得数高的就是要得到的值。 文中提到的Hough Voting如下： A traditional Hough voting 2D detector comprises an offline and an online step....

正则化 正则化是一个通用的算法和思想，所有会产生过拟合现象的算法都可以使用正则化来避免过拟合。 在经验风险最小化的基础上（也就是训练误差最小化），尽可能采用简单的模型，可以有效提高泛化预测精度。如果模型过于复杂，变量值稍微有点变动，就会引起预测精度问题。正则化之所以有效，就是因为其降低了特征的权重，使得模型更为简单。 正则化一般会采用 L1 范式或者 L2 范式，其形式分别为 \(\Phi(w)=||x||_1\) 和 \(\Phi(w)=||x||_2\) 。 L1正则化 LASSO 回归，相当于为模型添加了这样一个先验知识： \(w\) 服从零均值拉普拉斯分布。 首先看看拉普拉斯分布长什么样子： \[f(w|\mu,b)=\frac{1}{2b}exp(-\frac{|w-\mu|}{b})\] 由于引入了先验知识，所以似然函数这样写：...

什么是自组织映射？ 一个特别有趣的无监督系统是基于 竞争性学习 ，其中输出神经元之间竞争激活，结果是在任意时间只有一个神经元被激活。这个激活的神经元被称为 胜者神经元（winner-takes-all neuron） 。这种竞争可以通过在神经元之间具有 横向抑制连接 （负反馈路径）来实现。其结果是神经元被迫对自身进行重新组合，这样的网络我们称之为 自组织映射（Self Organizing Map，SOM） 。 拓扑映射 神经生物学研究表明，不同的感觉输入（运动，视觉，听觉等）以 有序的方式 映射到大脑皮层的相应区域。 这种映射我们称之为 拓扑映射 ，它具有两个重要特性： 在表示或处理的每个阶段，每一条传入的信息都保存在适当的上下文（相邻节点）中 处理密切相关的信息的神经元之间保持密切，以便它们可以通过短突触连接进行交互 我们的兴趣是建立人工的拓扑映射，以神经生物学激励的方式通过自组织进行学习。 我们将遵循 拓扑映射形成的原则 ：“拓扑映射中输出层神经元的空间位置对应于输入空间的特定域或特征”。 建立自组织映射 SOM的主要目标是将任意维度的输入信号模式 转换...

介绍如何将Kernel Trick引入到Logistic Regression，以及LR与SVM的结合 SVM与正则化 首先回顾Soft-Margin SVM的原始问题: \[\begin{aligned}\min\limits_{b,\mathbf{w}, \xi} \quad &\frac{1}{2} \mathbf{w}^T\mathbf{w} + C \cdot \sum\limits_{n=1}^{N}\xi_n \\ s.t. \quad & y_n(\mathbf{w}^T\mathbf{z}^n+b) \geq 1-\xi_n, for \ all\ n \end{aligned}\] 其中 \(ξ_n\) 是训练数据违反边界的多少，没有违反的话， \(ξ_n=0\) ，反之 \(ξ_n>0\) ，换句话说，目标函数的第二项就可以表示模型的损失。现在换一种方式来写，将二者结合起来: \(ξ_n=max(1−y_n(w^Tz^n+b),0)\) ，这一个等式就代表了上面的约束条件，这样上述问题，就与下面的无约束问题等价 \[\begin{aligned} &...

模型介绍 Logistic Regression 虽然被称为回归，但其实际上是分类模型，并常用于二分类。Logistic Regression 因其简单、可并行化、可解释强深受工业界喜爱。 Logistic 回归的本质是：假设数据服从这个分布，然后使用极大似然估计做参数的估计。 Logistic 分布 Logistic 分布是一种连续型的概率分布，其 分布函数 和 密度函数 分别为： \[F(x)=P(X\le x)=\frac{1}{1+e^{-(x-\mu)/\gamma}}\\ f(x)=F^{'}(x)=\frac{e^{-(x-\mu)/\gamma}}{\gamma(1+e^{-(x-\mu)/\gamma})^2}\] 其中， \(\mu\) 表示位置参数， \(\gamma\) 为形状参数。我们可以看下其图像特征： Logistic 分布是由其位置和尺度参数定义的连续分布。Logistic 分布的形状与正态分布的形状相似，但是 Logistic 分布的尾部更长，所以我们可以使用 Logistic...

EM算法也称期望最大化（Expectation-Maximum,简称EM）算法，它是一个基础算法，是很多机器学习领域算法的基础，比如隐式马尔科夫算法（HMM）， LDA主题模型的变分推断等等。本文就对EM算法的原理做一个总结。 EM算法要解决的问题 我们经常会从样本观察数据中，找出样本的模型参数。 最常用的方法就是极大化模型分布的对数似然函数。 但是在一些情况下，我们得到的观察数据有未观察到的隐含数据， 此时我们未知的有隐含数据和模型参数，因而无法直接用极大化对数似然函数得到模型分布的参数 。怎么办呢？这就是EM算法可以派上用场的地方了。 EM算法解决这个的思路是使用启发式的迭代方法，既然我们无法直接求出模型分布参数，那么我们 可以先猜想隐含数据（EM算法的E步），接着基于观察数据和猜测的隐含数据一起来极大化对数似然，求解我们的模型参数（EM算法的M步)...

k-d树（k-dimensional树的简称），是一种分割k维数据空间的数据结构。主要应用于 多维空间关键数据的搜索 （如：范围搜索和最近邻搜索）。 应用背景 SIFT算法中做特征点匹配的时候就会利用到k-d树。而特征点匹配实际上就是一个通过距离函数在高维矢量之间进行相似性检索的问题。针对如何快速而准确地找到查询点的近邻，现在提出了很多高维空间索引结构和近似查询的算法，k-d树就是其中一种。 索引结构中相似性查询有两种基本的方式：一种是范围查询（range searches），另一种是K近邻查询（K-neighbor searches）。范围查询就是给定查询点和查询距离的阈值，从数据集中找出所有与查询点距离小于阈值的数据；K近邻查询是给定查询点及正整数K，从数据集中找到距离查询点最近的K个数据，当K=1时，就是最近邻查询（nearest neighbor searches）。...