作者丨Billy Z@知乎

来源丨https://zhuanlan.zhihu.com/p/188572028

[ 导读 ]端到端的深度神经网络虽然能够自动学习到一些可区分度好的特征，但是往往会拟合到一些非重要特征，导致模型会局部坍塌到一些不好的特征上面。本文通过一个简单的鸟类分类案例来总结了五个给模型加入先验信息的方法。

端到端的深度神经网络是个黑盒子，虽然能够自动学习到一些可区分度好的特征，但是往往会拟合到一些非重要特征，导致模型会局部坍塌到一些不好的特征上面。常常一些人们想让模型去学习的特征模型反而没有学习到。

为了解决这个问题，给模型加入人为设计的先验信息会让模型学习到一些关键的特征。下面就从几个方面来谈谈如何给模型加入先验信息。

为了方便展示，我这边用一个简单的分类案例来展示如何把先验知识加入到一个具体的task中。我们的task是在所有的鸟类中识别出一种萌萌的鹦鹉，这种鹦鹉叫鸮(xiāo)鹦鹉，它长成下面的样子：

鸮(xiāo)鹦鹉

这种鸟有个特点：

就是它可能出现在任何地方，但就是不可能在天上，因为它是世界上唯一一种不会飞的鹦鹉(不是唯一一种不会飞的鸟)。

好，介绍完task的背景，咱们就可以分分钟搭建一个端到端的分类神经网络，可以选择的网络结构可以有很多，如resnet, mobilenet等等，loss往往是一个常用的分类Loss，如交叉熵，高级一点的用个focal loss等等。确定好了最优的数据(扰动方式)，网络结构，优化器，学习率等等这些之后，往往模型的精度也就达到了一个上限。

然后你测试模型发现，有些困难样本始终分不开，或者是一些简单的样本也容易分错。这个时候如果你还想提升网络的精度，可以通过给模型加入先验的方式来进一步提升模型的精度。

给模型加入先验，大家最容易想到的是把网络的weight替换成一个在另外一个任务上pretrain好的模型weight。经过的预训练的模型(如ImageNet预训练)往往已经具备的识别到一些基本的图片pattern的能力，如边缘，纹理，颜色等等，而识别这些信息的能力是识别一副图片的基础。如下图所示：

但这些先验信息都是一些比较general的信息，我们是否可以加入一些更加high level的先验信息呢。

假如你有这样的一个先验：

你觉得鸮鹦鹉的头是一个区别其他它和鸟类的重要部分，也就是说相比于身体，它的头部更能区分它和其他鸟类。

这时怎么让网络更加关注鸮鹦鹉的头部呢。这时你可以这样做，把整个鸮鹦鹉和它的头部作为一个网络的两路输入，在网络的后端再把两路输入的信息融合。以达到既关注局域，又关注整体的目的。一个简单的示意图如下所示。

接着上面的设定来，假如说你觉得给模型两路输入太麻烦，而且增加的计算量让你感觉很不爽。

这时，你可以尝试让模型自己发现你设定的先验知识。

假如说你的模型可以自己输出鸟类头部的位置，虽然这个鸟类头部的位置信息是你不需要的，但是输出这样的信息代表着你的网络能够locate鸟类头部的位置，也就给鸟类的头部更加多的attention，也就相当于给把鸟类头部这个先验信息给加上去了。

当然直接模仿detection那样去回归出位置来这个任务太heavy了，你可以通过一个生成网络的支路来生成一个鸟类头部位置的Mask，一个简单的示意图如下：

测试的时候不增加计算量

针对鸮鹦鹉的分类，我在上面的提到一个非常有意思的先验信息：

那就是鸮鹦鹉是世界上唯一一种不会飞的鹦鹉。

这个信息从侧面来说就是，鸮鹦鹉所有地方都可能出现，就是不可能出现在天空中(当然也不可能出现在水中)。

也就是说不但鸮鹦鹉本身是一个分类的重点，鸮鹦鹉出现的背景也是分类的一个重要参考。假如说背景是天空，那么就一定不是鸮鹦鹉，同样的，假如说背景是海水，那么也一定不是鸮鹦鹉，假如说背景是北极，那么也一定不是鸮鹦鹉，等等。

也就是说，你不能通过背景来判断一只未知的鸟是鸮鹦鹉，但是你能通过背景来判断一只未知的鸟肯定不是鸮鹦鹉(是其他的鸟类)。

所以假如说获取了一张输入图片的激活图(包含背景的)，那么这张激活图的鸟类身体部分肯定包含了鸮鹦鹉和其他鸟类的激活，但是鸟类身体外的背景部分只可能包含其他鸟类的激活。

所以具体的做法是基于激活图，通过限制激活图的激活区域，加入目标先验。

CAM[1]激活图是基于分类网络的倒数第二层卷积层的输出的 feature_map 的线性加权，权重就是最后一层分类层的权重，由于分类层的权重编码了类别的信息，所以加权后的响应图就有了基于不同类别的区域相应。(具体的介绍可以看 https://zhuanlan.zhihu.com/p/51631163)，具体的激活图生成方式可以如下表示：

说了这么多，下面就展示展示激活图的样子：

大家可以看到，上面一张是一只鸮鹦鹉的激活图，下面是一只在天空飞翔的大雁的激活图。

因为鸮鹦鹉的Label是0，其他鸟类的Label是1，所以在激活图上，只要是负值的激活区域都是鸮鹦鹉的激活，也就是Label为0的激活，只要是正值的激活都是其他鸟类的激活，也就是Label为1的激活。

为了方便展示，我把负值的激活用冷色调来显示，把正值的激活用暖色调来显示，所以就是变成了上面两幅激活图的样子。而右边的数字是具体的激活矩阵(把激活矩阵进行GAP就可以变成最终输出的Logits)。

到这里不知道大家有没有发现一个问题，就是无论对于鸮鹦鹉还是大雁的图片，它们的激活图除了分布在鸟类本身，也会有一部分分布在背景上。 对于大雁我们好理解，因为大雁是飞在天空中的，而鸮鹦鹉是不可能在天空中的，所以天空的正激活是非常合理的。但是对于鸮鹦鹉来说，其在鸟类身体以外的负激活就不是太合理，因为，大雁或者是其他的鸟类，也可能在鸮鹦鹉的地面栖息环境中(但是鸮鹦鹉却不可能在天空中)。

所以环境不能提供任何证据来证明这一次鸟类是一只鸮鹦鹉，鸮鹦鹉的负激活只是在鸟类的身体上是合理的。而其他鸟类的正激活却可以同时在鸟类身体上又可能在鸟类的背景上(如天空或者海洋)。

所以我们需要这样建模这个问题，就是在除鸟类身体的背景上，不能出现鸮鹦鹉的激活，也就是说不能出现负激活(Label为0的激活）。 所以下面的激活才是合理的：

从上面来看，在除鸟类身体外的背景部分是不存在负激活的，虽然上面的背景部分有一些正的激活(其他鸟类的激活)，但是从右边的激活矩阵来看，负激活的scale是占据绝对优势的，所以完全不会干扰对于鸮鹦鹉的判断。

所以问题来了，怎么从网络设计方面来达到这个目的呢？

其实可以从Loss设计方面来达到这个效果。我们假设每一个鸟都有个对应的mask，mask内是鸟类的身体部分，mask外是鸟类的背景部分。那么我们需要做的就是抑制mask外的背景部分激活矩阵的负值，把那一部分负值给抑制到0即可。

鸟类的激活矩阵和mask的关系如下图(红色的曲线代表鸟的边界mask)：

我们的Loss设计可以用下面的公式表示：