Machine learning framework

• steps
  • training image $X$ image들로부터 feature를 뽑아내어 vector로 변환한다.
    그 vector들을 training시키고, label $Y$로부터 Loss를 측정하여 parameter $\theta(a, b)$를 찾는다.
    학습된 parameter $\theta(a, b)$는 $y=ax + b$라는 linear classifier로 동작한다.
    testing(=inference) 동안에는 학습된 $y=ax+b$로 test data에 대하여 prediction을 예측한다.
    
  • apply a prediction function $f$ to a feature representation $x$ of the image to get desired output $y$.
    

• features : feature를 만들어내는 방법
  • raw pixels : Deep Learning
  • histograms
  • templates
  • local descriptors
    예전에는 handcraft(수작업)으로 A라는 기준, B라는 기준, ... 등에 넣어서 feature를 찾아냈었는데
    최근에는 raw pixel 자체를 입력으로 넣어서 model에서 알아서 특징을 추출해주기를 바라는 추세...

• Supervision :
  어떠한 supervision('label')을 고려해야 할까?
  image에 대응되는 납득할 만한 label을 지정해줘야 한다.
  label의 종류는 다양할 수 있다.
  object detection을 위한 bounding box,
  segmentation을 수행하기 위해서는 object의 boundary,
  detail object를 찾기 위해서는 handle, wheel, 등 여러 방법으로 annotation할 수 있다.
  
  • unsupervised : label이 전혀 없는 경우
  • weakly supervised : image-level label이 있는 경우 (label이 하나)
  • fully supervised : pixel-level label이 있는 경우 (label이 많음)

Bias-Variance trade-off

• bias : high bias and low variance -> underfitting. model is too simple(too few parameters)

• variance : low bias and high variance -> overfitting. model is too complex(too many parameters)
  

• Complexity & Training Error
  

• Complexity & Test Error
  

• #Training Examples & Error
  

The perfect classification algorithm

• objective function = Loss function을 정의하여 Loss가 최소값을 가지도록해야 함
• parameterization : 복잡도를 적절히 설정해야 함
• regularization : training data에 대한 적당한 regularization 필요
• training algorithm : SGD, Adam 등 optimizer 필요
• inference algorithm

Three kinds of error

1. inherent : 어쩔 수 없는 error = noise
2. bias
3. variance

Classification

• Classification : input vector를 2개 이상의 class 중 하나의 class에 할당하는 것.
  

Generative vs Discriminative

• classifier는 크게 두 가지로 분류된다.
  1. Generative model :
     learn joint distribution $P(X, Y)$
  2. Discriminative model :
     learn conditional distribution $P(Y|X=x)$

Many Classifiers

• SVM
• Neural Networks
• Naive Bayes
• Bayesian network
• Nearest Neighbor

Nearest Neighbor (NN)

• 인접한 class로 test data의 class를 할당한다.
  decision boundary를 만들 필요 없이 정해져 있는 class들 중에서 가까운 class로 할당.
  

K-nearest neighbor

Linear SVM

• $y=ax + b$를 1 or 0의 값을 갖도록 sign()을 적용한다.
  $f(x) = sign(wx + b)$
  그어진 $f(x)$와 법선 vector $t$가 만드는 margin을 최대화하는 것이 목적이다.
  하지만 아래와 같이 선형 분리가 불가능한 경우도 존재한다.
  그래서 Nonlinear한 classifier를 도입해야 한다.

Nonlinear SVM

• 직선 1개로 분리가 불가능한 상황에서 kernel trick과 유사하게,
  original dimension high-dimension으로 Transformation을 통해 새로운 feature space를 만든다.
  즉, kernel trick은 선형 분리가 불가능한 경우에 선형 분리가 가능하도록 도와준다.
  

• 장점 :

  • SVM은 Neural Network가 나오기 전에 가장 많이 사용되었다.
  • kernel-based framework는 매우 강력하다
  • SVM은 적은 training example에 대해서도 잘 동작함

• 단점 :

  • 직접적으로 multi-class classification을 할 수 없어서,
    one-versus-others 방식을 반복적으로 수행해야 한다.
    따라서 computation, memory 비용이 높다.