GOAL

1. 시각화를 통해 CNN의 feature를 이해하는 방법론들을 activation과 gradient의 관점에서 알아본다.
2. 이미지 Style을 변형시키는 방법에 대해 알아본다.

Table of Contents

1. Deepdream
2. Feature Inversion
3. Texture Synthesis
   • Gram Matrix
4. Style Transfer
   • Fast Style Trnasfer

Layers

• first layer
• last layer -> feature nearest
• t-SNE dimensionality reduction

Deepdream

• 위키백과 : Deepdream
• 이미지 사이트 체험
• Google 에서 만든 재미용
• network의 중간에 특정한 neuron activation을 Amplify(증폭)

-> 네트워크가 이미 뽑아낸 특징들을 더욱 증폭시키는 역할

• 원리

  1. forward 방향으로 activation 계산 (여기까진 일반적 네트워크와 같음)
  2. layer의 activation 과 같은 gradient를 설정
  3. Backward 방향으로 gradient 계산 (backprop)

• 결과를 위해 조정한 사항들

  1. Jitter : 이미지를 두 픽셀씩 옮김

  2. Normalize ascent to gradient

  3. Clip pixel values :최대,최솟값으로 제한

     -> training 되었던 image들의 feature들이 input image에 함께 뒤섞여 나타남
     

feature Inversion

이미지의 CNN feature Vector 가 주어졌을 때
1. 자연스럽고
2. 그 feature vector 가장 잘 부합하는
이미지 output return

1. 주어진 feature vector와
2. 새로운 이미지의 feature와의 L2 distance 측정
   Regularization 진행 후 최솟값을 return

• VGG16의 각기 다른 layer로부터 feature inversion 진행 결과,
  -> 얕은 layer보다는 깊은 layer에서 더 새로운 output이 탄생함을 알 수 있다.

Texture Synthesis

• Sample patch(이미지 일부)로부터 같은 texture의 더 큰 이미지 합성하는 방식
• nearest neighbor 알고리즘으로 '복붙'하면 깨짐 현상이 있음

Gram matrix

• image의 질감의 유사도를 표현하는 행렬, 이를 통해 texture synthesis 진행

• 원리
  1) image input을 CNN에 넣으면 C*H*W tensor가 출력됨
  2) 이 tensor 중 2개의 C차원 vector를 외적하면 C*C의 co-occurence를 표현하는 matrix가 나오는데 이것이 바로 Gram matrix
  3) 마치 covariance을 판단하는 행렬 -> 질감의 유사도를 측정 가능!

Gram matrix 이용한 합성과정

1) 하나는 input으로부터, 하나는 Noise로부터 이미지를 생성
2) Gram matrix 추출 후 Gram matrix 간에 L2 distance의 가중합, 즉 Loss 계산
3) Gradient 계산을 위한 Backprop 및 parameter update(make gradient step)
4) 2)~3) 반복

-> 이 기법 역시 깊은 Layer로부터 더 많은 feature들이 추출됨을 알 수 있다.

Style Transfer

• 비슷한 방법으로 두 이미지의 texture 차이를 최소화함으로서 특정 이미지의 분위기 합성이 가능
  -> Style transfer

• Gram matrix값 최소화시키면서 생성하는 이미지 기법
  

• Content image, Style image
  1) content image로부터 feature reconstruction
  2) style image로부터 gram matrix reconstruction

• 특징
  1) Fine control 가능(style image 크기 조정 등)
  2) forward/backward prop 과정이 너무 많아서 느림.

  -> style transfer를 진행하는 또 하나의 Neural Network를 구현하자! 

Fast style Transfer

1) style을 미리 Feedforward Network $f_W$ 에 학습시킴
2) content image만 feed forward -> 속도 향상
** batch normalization보다 instant normalization 에서 더 큰 상승 효과

3) segmentation network는 여러 층으로 transposed convolution 이용해서 down,upsampling

Deepdream website에서 Style transfer 통해 쇠라풍 그림으로 교체한 사진

Reference

• CS231n 12강 Lecture Note : http://cs231n.stanford.edu/slides/2017/cs231n_2017_lecture12.pdf
• https://inhovation97.tistory.com/28
• style transfer : https://www.popit.kr/neural-style-transfer-%EB%94%B0%EB%9D%BC%ED%95%98%EA%B8%B0/