PatchUp : a feature-space block-level regularization technique for convolutional neural networks

Les modèles d’apprentissage profond à large capacité ont souvent tendance à présenter de hauts écarts de généralisation lorsqu’ils sont entrainés avec une quantité limitée de données étiquetées. Dans ce cas, des réseaux de neurones très profonds et larges auront tendance à mémoriser les échantillons de données et donc ils risquent d’être vulnérables lors d’un léger décalage dans la distribution des données au moment de tester. Ce problème produit une généralisation pauvre lors de changements dans la répartition des données au moment du test. Pour surmonter ce problème, certaines méthodes basées sur la dépendance et l’indépendance de données ont été proposées. Une récente classe de méthodes efficaces pour aborder ce problème utilise plusieurs manières de contruire un nouvel échantillon d’entrainement, en mixant une paire (ou plusieurs) échantillons d’entrainement. Dans cette thèse, nous introduisons PatchUp, une régularisation de l’espace des caractéristiques au niveau des blocs dépendant des données qui opère dans l’espace caché en masquant des blocs contigus parmi les caractéristiques mappées, sélectionnés parmi une paire aléatoire d’échantillons, puis en mixant (Soft PatchUp) ou en échangeant (Hard PatchUp) les blocs contigus sélectionnés. Notre méthode de régularisation n’ajoute pas de surcharge de calcul significative au CNN pendant l’entrainement du modèle. Notre approche améliore la robustesse des modèles CNN face au problème d’intrusion du collecteur qui pourrait apparaitre dans d’autres approches de mixage telles que Mixup et CutMix. De plus, vu que nous mixons des blocs contigus de caractéristiques dans l’espace caché, qui a plus de dimensions que l’espace d’entrée, nous obtenons des échantillons plus diversifiés pour entrainer vers différentes dimensions. Nos expériences sur les ensembles de données CIFAR-10, CIFAR-100, SVHN et Tiny-ImageNet avec des architectures ResNet telles que PreActResnet18, PreActResnet34, WideResnet-28-10, ResNet101 et ResNet152 montrent que PatchUp dépasse ou égalise les performances de méthodes de régularisation pour CNN considérée comme état de l’art actuel. Nous montrons aussi que PatchUp peut fournir une meilleure généralisation pour des transformations affines d’échantillons et est plus robuste face à des attaques d’exemples contradictoires. PatchUp aide aussi les modèles CNN à produire une plus grande variété de caractéristiques dans les blocs résiduels en comparaison avec les méthodes de pointe de régularisation pour CNN telles que Mixup, Cutout, CutMix, ManifoldMixup et Puzzle Mix.  Mots clés: Apprentissage en profondeur, Réseau Neuronal Convolutif, Généralisation,Régularisation, Techniques de régularisation dépendantes et indépendantes des données, Robustesse aux attaques adverses. Large capacity deep learning models are often prone to a high generalization gap when trained with a limited amount of labeled training data. And, in this case, very deep and wide networks have a tendency to memorize the samples, and therefore they might be vulnerable under a slight distribution shift at testing time. This problem yields poor generalization for data outside of the training data distribution. To overcome this issue some data-dependent and data-independent methods have been proposed. A recent class of successful methods to address this problem uses various ways to construct a new training sample by mixing a pair (or more) of training samples. In this thesis, we introduce PatchUp, a feature-space block-level data-dependent regularization that operates in the hidden space by masking out contiguous blocks of the feature map of a random pair of samples, and then either mixes (Soft PatchUp) or swaps (Hard PatchUp) these selected contiguous blocks. Our regularization method does not incur significant computational overhead for CNNs during training. Our approach improves the robustness of CNN models against the manifold intrusion problem that may occur in other state-of-the-art mixing approaches like Mixup and CutMix. Moreover, since we are mixing the contiguous block of features in the hidden space, which has more dimensions than the input space, we obtain more diverse samples for training towards different dimensions. Our experiments on CIFAR-10, CIFAR-100, SVHN, and Tiny-ImageNet datasets using ResNet architectures including PreActResnet18, PreActResnet34, WideResnet-28-10, ResNet101, and ResNet152 models show that PatchUp improves upon, or equals, the performance of current state-of-the-art regularizers for CNNs. We also show that PatchUp can provide a better generalization to affine transformations of samples and is more robust against adversarial attacks. PatchUp also helps a CNN model to produce a wider variety of features in the residual blocks compared to other state-of-the-art regularization methods for CNNs such as Mixup, Cutout, CutMix, ManifoldMixup, and Puzzle Mix.  Key words: Deep Learning, Convolutional Neural Network, Generalization, Regular-ization, Data-dependent and Data-independent Regularization Techniques, Robustness to Adversarial Attacks.

Keyphrases: Apprentissage en profondeur, Réseau Neuronal Convolutif, Généralisation, Régularisation, Techniques de régularisation dépendantes et indépendantes des données, Robustesse aux attaques adverses, Deep learning, Convolutional Neural Network (CNN), Generalization, Regularization, Data-dependent and Data-independent Regularization Techniques, Robustness to Adversarial Attacks