Recurrent models of visual attention (NIPS 2014)


  • 논문 제목: Recurrent models of visual attention. In Advances in neural information processing systems
  • 주 저자: Volodymyr Mnih (구글 딥마인드)
  • 연구 기관: 구글 딥마인드
일반적으로 CNN (Convolutional Neural Network) 은 이미지 내의 모든 영역에 대해 convolution kernel, pooling, non-linear activation function, normalization 등을 계층적으로 적용하여 최종 feature map 을 생성한 후, 최종 feature map 에 대해 classification, detection, segmentation 등을 적용한다. 이 경우, 분석해야 할 영역 이 외의 나머지 모든 영역들에 대해서도 CNN 을 적용함으로써 과다한 연산량이 소모될 뿐 아니라, 중요한 정보가 있는 영역 외의 정보들이 최종 레이어로 전달되므로 분석에 있어 일종의 'noise' 요인이 될 수 있다.

본 연구는 attention model 을 단문자 인식에 적용한 것으로써, 문자 라인을 형성하는 주요 영역들을 순차적으로 찾아내고, 주요 영역에 국한되는 'local CNN' 을 적용하는 기술이다. 이렇게 함으로써 배경 영역에 대한 분석을 제거하여 불필요한 연산량을 과도하게 소모하지 않고, 주요 영역에 집중하여 분석을 수행할 수 있게 한다. 이러한 처리 과정은 인간이 이미지 내의 객체를 바라볼 때, 배경에 신경쓰지 않고 보고자 하는 객체 영역의 여러 국지적 모양을 훑어보는 것을 모방한 것이다.  

 기술 구조는 크게 세 가지로 구성된다. 

  • Glimpse Sensor
    • 이전 시점의 location 정보 (lt-1) 및 이미지를 입력받아서 그 위치에 해당하는 'local' image patch ⍴(xt, lt-1) 생성 (아래 그림의 A)
  • Glimpse Network
    • Glimpse sensor 에서 생성한 local image patch 와 location 정보를 조합하여 최종 glimpse representation (gt) 생성 (아래 그림의 B)
  • Model Architecture
    • Glimpse representation 을 입력받아서 다음 시점에서 분석해야 할 location 정보 (lt) 및 lt-1 위치의 action at 출력하는 RNN architecture (본 연구에서의 action 은 숫자 classification 임) (아래 그림의 C)
상기 네트워크는 일련의 decision sequence 를 출력하는 것으로 볼 수 있다 (매 시점마다 action 과 location 정보를 출력함). 파라메터 최적화는, 일련의 decision sequence 에 따른 보상 (reward R) 이 최대화 될 수 있도록 하는 것이다. 즉, 정답을 출력하는 decision sequence (episode) 는 큰 보상을 할당하고, 오답을 출력하는 decision sequence 는 보상을 할당하지 않는다. 모든 episode 에 대한 보상을 계산하는 것은 너무 많은 연산량이 필요하므로 현실적으로 어렵다. 따라서 Monte Carlo sampling 을 통해 유의미한 episode 를 sampling 하고, 유의미한 episode 에 대한 gradient 평균을 통해 근사화 하여 최적화를 진행한다. 이러한 최적화 과정은 reinforcement learning 과정과 일치한다.


본 연구는 숫자 1개에 대한 인식을 수행하는 것에 적용하였으나, 후속 연구에서는 본 연구보다 진보한 attention + RNN 구조를 여러 문자로 구성된 문자열 인식에 적용하였다. 본 연구와 관련된 자세한 내용은 후속 연구인 아래 논문 리뷰에서 다루기로 한다.

 본 블로그에 아래 후속 논문에 대한 자세한 리뷰를 게재하였으며, 여기를 클릭하면 볼 수 있다.


Popular Posts

Show, attend and tell: Neural image caption generation with visual attention (ICML 2015)

이미지
논문 제목: Show, attend and tell: Neural image caption generation with visual  attention 주 저자: Kelvin Xu (몬트리올 대학) 참여 연구 기관: 몬트리올 대학, 토론토 대학 요즘 들어 주목받고 있는 attention model 에 관한 연구이다. Attention model 은 시계열 분석 모델에서 처음 적용되기 시작했다. 대표적인 논문 중 하나는 Bahdanau 가 기계 번역에 적용한 아래 논문이다. Bahdanau 는 기계 번역을 위해 Bi-LSTM 구조를 채용하고, 현재 시점을 중심으로 일정 time window 에 포함되는 LSTM hidden state 의 가중합으로  출력값을 추정한다. 이 때, hidden state 에 대한 가중치가 attention model 의 추정값이 된다. ( Bahdanau, D., Cho, K., & Bengio, Y. (2014). Neural machine translation by jointly learning to align and translate. arXiv preprint arXiv:1409.0473. ) [ Network Architecture ] 최근 들어 attention model 을 computer vision 분야에 적용하는 논문들이 발표되고 있다. 여기서 소개하는 논문은 이미지가 한 장 주어졌을 때, 이미지를 설명하는 문장을 생성하는 image captioning 기술에 관한 것이다.  Image captioning을 위해서는 이미지 내에 어떠한 'context'가 내재되어 있는지 분석해야 한다. 본 논문에서는 context 분석 시 이미지 내에서 어느 위치를 주목해서 봐야하는지 attention model 을 이용하여 추정하고 있다. 아래 그림에서 본 논문의 전체적인 기술 구조를 도식화하였다. 위 그림에서 보여지듯이, 전체적인 구
자세한 내용 보기

Multiple object recognition with visual attention (arXiv 2014)

이미지
논문 제목: Multiple object recognition with visual attention 주 저자: Jimmy Lei Ba (토론토 대학) 참여 연구 기관: 토론토 대학, 구글 딥마인드 본 연구는 아래 논문의 후속 연구로써, attention + RNN 구조를 문자열 인식에 적용한 기술이다. 아래 사전 연구 논문에 대한 간단한 리뷰는 여기를 클릭하면 볼 수 있다. 본 연구의 사전 연구 논문 Mnih, V., Heess, N., & Graves, A. (2014). Recurrent models of visual attention. In Advances in neural information processing systems (pp. 2204-2212). [ Network Architecture ] 사전 연구와 유사하게 본 연구는 이미지 내에서  문자 라인을 형성하는 주요 국지 영역들을  순차적으로 찾아내고, 주요 영역에만 국한되는 'local CNN' 을 적용하는 기술이다. 이렇게 함으로써 배경 영역에 대한 분석을 제거하여 불필요한 연산량을 과도하게 소모하지 않고, 주요 영역에 집중하여 분석을 수행할 수 있게 한다. 이러한 처리 과정은 인간이 이미지 내의 객체를 바라볼 때, 배경에 신경쓰지 않고 보고자 하는 객체 영역의 여러 국지적 모양을 훑어보는 것을 모방한 것이다.   본 연구에서 제안하는 기술 구조는 아래 그림과 같다. 아래 그림에서 'context', 'emission', 'glimpse', 'classification' 이 쓰여진 곳에는 각각의 목적에 맞는 neural network 이 위치하고 있다. 위 그림에서 나타나듯이 본 연구에서 제안하는 기술은 context, emission, glimpse, classification 및 recurrent network 으로 구성된다. 사전 연구에서
자세한 내용 보기

Towards Accurate Multi-person Pose Estimation in the Wild (CVPR 2017)

이미지
논문 제목: Towards Accurate Multi-person Pose Estimation in the Wild 연구 기관: 구글 본 연구는 Faster R-CNN 으로 사람 영역의 rectangular bounding box 를 찾고, box 영역 내에서 pose estimation 을 처리하는 2단계 기술 구조를 제안한다 (아래 그림 참조). [ Network Architecture ] Person detection 을 위한 faster R-CNN 은 ResNet101 을 backbone 으로 사용하였다. Person detection 에 의해 검출된 영역은 가로 또는 세로 길이를 변환하여 가로/세로 비율이 일정 비율을 가지도록 하였다  (위 그림 (1) 의 person detection 결과인 붉은 색 box 가 (2) 에서는 세로 방향으로 축소된 모습을 볼 수 있다) . 학습 시의 데이터 증강을 위해 person detection 결과 box 영역을 1.0 ~ 1.5 사이의 scale factor 값을 무작위 선정하여 조금 더 넓은 person box 를 학습 데이터로 추가하였다. 추론 시에는   scale factor 값을 1.25로 고정시켰다. 이와 같은 image cropping 및 re-sizing 을 통해 최종적으로 353 x 257 크기의 이미지를 생성하여 pose estimation module 로 전달한다. 또한, activation feature point 의 이미지 분석 대상 영역을 넓히기 위해서 atrouse convolution 을 적용하였다. Atrouse convolution 은 convolution kernel 의 분석 포인트를 일정 간격을 두고 배치한 kernel 이다. 아래 그림에서 (a) 가 일반적인 convolution kernel 이고, (b) 와 (c) 그림이 각각 convolution point 를 일정 간격을 두고 convolution point 를 배치한 atrou
자세한 내용 보기

DeepPose: Human pose estimation via deep neural networks (CVPR 2014)

이미지
논문 제목: DeepPose: Human pose estimation via deep neural networks 연구 기관: 구글 2012년 AlexNet 이 CNN (Convolutional Neural Network) 의 가능성을 확인시켜준 뒤, CNN 은 여려 컴퓨터 비전 분야로 확산 적용되었다. 본 연구는 CNN 을 포즈 추정 분야에 적용한 초기 연구이다. CNN 을 이용하여 사람 영역의 사각형 박스 위치를 추정하고, 박스 내에서 각 관절의 위치를 CNN 기반의 regression 방식으로 추정한다. 첫번째 regressor 를 이용하여 관절 위치를 추정한 후, 추정 오차를 보정하는 두 번째 regression network 을 순차적으로 연결하였다 (아마도, single regressor 로는 관절 위치 검출 성능이 충분히 만족스럽지 않았을 것으로 추정된다. 실제 필자의 경우에도, OCR 을 위한 숫자 영역 검출에 single regressor 로 글자 영역 사각형의 point 검출을 시도한 적이 있었는데 성능이 그리 좋지 않았었다). 두 번째 regressor 는 첫 번째 regressor 가 추정한 관절 위치 주변에 대해서만 fine tuning 하도록 제한 하였다. 이런 방식으로 multi-regressor 를 순차적으로 연결시켜 나갈 수 있다. 아래 그림에 본 연구에서 채용한 cascaded regression 구조를 나타내었다. 추정 오차에 대해 독특한 data augmentation 방법을 채용하고 있다. 이전 스테이지 결과로 부터 수집된 오차 데이터를 정규 분포로 모델링한 후, 현재 스테이지에서 가상의 오차값을 정규 분포를 이용하여 무작위 생성하는 방식으로 data augmentation 을 하였다. 본 연구는 CMU (Carnegie Mellon University) 에서 연구한 pose machine 기술과 비슷한 구조를 보인다 (CMU는 직접적인 point regression 을 하지 않고,
자세한 내용 보기

Convolutional pose machines (CVPR 2016)

이미지
논문 제목: Convolutional pose machines 연구 기관: Carnegie Mellon University 본 연구는 아래 선행 연구의 후속 연구로써, 선행 연구의 전체 적인 기술 구조는 유사하게 적용하면서 선행 연구 기술 구조 내의 'hand-crafted' function 을 'neural network' function 으로 대체한 것이다. 이해를 돕기 위해, 본 리뷰를 보기 전에 선행 연구에 대한 간단한 리뷰를 먼저 보기를 권장한다. 선행 연구에 대한 리뷰 글은 여기를 클릭하면 볼 수 있다. 선행 연구 논문 Ramakrishna, V., Munoz, D., Hebert, M., Bagnell, J. A., & Sheikh, Y. (2014, September). Pose machines: Articulated pose estimation via inference machines. In European Conference on Computer Vision (pp. 33-47). Springer, Cham. 용어 정의 Stage 선행 연구와 유사하게 동일한 처리 블럭을 순차적으로 연결한 구조를 뜻한다. Part 추정하고자 하는 사람의 관절 P (p: 1 ~ P) 전체 part 개수 Belief map 이미지 내 각 픽셀이 part 위치일 확률 (입력 이미지 크기와 동일 크기의 map) 각 part 마다 1장 씩 할당 각 ground truth part position 을 정점으로 하는 gaussian 형태의 확률 분포  아래 그림 (a) 에서의 b t  또는 아래 그림 (c) 에서  h'  x  w'  x  (P+1) 선행 연구에서는 'confidence map' 이라고 표현하였음 Image patch 전체 이미지 중 특정 location z 픽셀 주위의 일정 영역 (local image)
자세한 내용 보기

Pose machines: Articulated pose estimation via inference machines (ECCV 2014)

이미지
논문 제목: Pose machines: Articulated pose estimation via inference machines 연구 기관: Carnegie Mellon University 본 연구는 multi-stage classifier 를 이용하여 human pose 를 추정하는 기술에 관한 것이다. 본 연구는 neural network 기반의 기술이 아니라 hand-crafted feature function 을 적용 하였다. 아래 본 연구의 후속 연구에서 유사한 전체 기술 구조에 기반하여 hand-crafted function 을 neural network 로 대체한 기술을 발표하였다. 따라서 본 연구는 기술의 key idea 에 대해 간단히 설명하고, 자세한 내용은 조만간 게재할 후속 연구 리뷰 글에서 기술하기로 한다. 후속 연구 논문 Wei, S. E., Ramakrishna, V., Kanade, T., & Sheikh, Y. (2016). Convolutional pose machines. In Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (pp. 4724-4732). 본 연구에서 제안하는 전체적인 기술 구조는 아래 그림과 같으며, 연구자들은 'Pose Machine' 이라고 명명하였다.  <Pose Machine Architecture> 이해를 돕기 위해, 용어 정의 부터 설명한다. Part 추정하고자 하는 사람의 관절 P (p: 1 ~ P) 전체 part 개수 Confidence map 이미지 내 각 픽셀이 part 위치일 확률 (입력 이미지 크기와 동일 크기의 map) 각 part 마다 1장 씩 할당  (위 그림에서 파란색 그림에 해당) Image patch 전체 이미지 중 특정 location z 픽셀 주위의 일정 영역 (
자세한 내용 보기