DeepDream

Sinistra: Foto originale di Zachi Evenor. Destra: processata da Günther Noack, Software Engineer

DeepDream
Nome Inglese	DeepDream
Sigla
Anno Di Creazione	2015-06-18
Versione Corrente
URL	https://research.google/blog/inceptionism-going-deeper-into-neural-networks/
Pubblicazione	Inceptionism: Going Deeper into Neural Networks
URL Pubblicazione	https://research.google/blog/inceptionism-going-deeper-into-neural-networks/

Nel 2015, Alexander Mordvintsev, sviluppatore di Google, ha pubblicato un blog post contenente la descrizione di quello che diventò uno dei più interessanti e singolari esperimenti fatti con le reti neurali. Essendo anche un un'artista interattivo, aveva un particolare sensibilità nell'utilizzare algoritmi e modelli in un modo non convenzionale e creativo.

Il ricercatore fa la seguente prova: fornisce un'immagine in input a una rete neurale convoluzionale pre-addestrata per la classificazione di immagini, come ResNet, VGG16, o GoogLeNet, ma non vuole classificarla. In realtà vuole usarla per capire quali sono le caratteristiche che una rete convoluzionale "vede".

Alexander ipotizza che quindi i risultati intermedi per modificare l'immagine di input in modo da massimizzare le attivazioni di uno o più strati della rete neurale, predeterminati. In questo modo il modello di classificazione viene effettivamente utilizzato come un "generatore".

Sono state viste tre implementazioni:

• l'implementazione originale in Caffè
• un'implementazione in Pytorch piuttosto recente e ben scritta
• implementazione ufficiale in Tensorflow

Come funziona

La particolarità di questo metodo consiste nell utilizzare il metodo dei gradienti non per aggiornare i pesi del modello, che rimangono fissi, ma per aggiornare l'immagine "evidenziando" le caratteristiche che vengono riconosciute da uno o più layer scelti fra quelli che compongono l'archietttura.

Durante l'addestramento della rete si è utilizzata la discesa del gradiente per aggiornare i valori dei coefficienti del modello, calcolati rispetto alla funzione di perdita, in modo da andare nella direzione di minimizzarla.

In Deep Dream invece si calcolano i gradienti dell'immagine rispetto all'attivazione: questi gradienti vengono poi aggiunti all'immagine, intensificando i pattern visti dalla rete in quei layer. Questa tecnica viene chiamata "gradient ascent" o ascesa del gradiente.

Il Root Mean Error (RME) delle attivazioni di un determinato layer (rispetto a una matrice di zeri per esempio) è una rappresentazione della distanza. E' possibile calcolare il gradiente dei valori RGB dell'immagine rispetto a questa funzione di perdita, per esempio in Pytorch molto semplicemente con Autograd. Una volta trovata questa matrice, essa viene aggiunta all'immagine, moltiplicando sempre per la learning rate.

Nelle varie implementazioni, questa matrice di gradienti viene poi ammorbidita applicando ad essa un filtro gaussiano 2D - i gradienti vengono infine standardizzati prima di essere aggiunti al valore in pixel che rappresenta l'immagine.

Data augmentation e processamento frattale dell'immagine

Image Pyramid

Tutte le implementazioni viste contemplano l'utilizzo di uno "shift" randomico sui due assi ad ogni iterazione, questo permette all'algoritmo di lavorare anche sui bordi delle immagini (immagino).

Importante è il processing di tipo frattale, o "per ottave", nel quale l'immagine sottocampionata e portata alla dimensione dell'immagine originale, per poi essere progressivamente ingrandita: in questo modo i pattern si visualizzano su svariate scale, in modo "frattale".

Una cosa molto interessante menzionata nel blog post originale, è che le immagini che emergono "dipendono" dal contenuto originale dell'immagine, a parità di layer esposti.

Bibliografia

Inceptionism: Going Deeper into Neural Networks

DeepDream - a code example for visualizing Neural Networks