We report on a novel model linking deep convolutional neural networks (CNN) to biological vision and fundamental particle physics. Information propagation in a CNN is modeled via an analogy to an optical system, where information is concentrated near a bottleneck where the 2D spatial resolution collapses about a focal point $1\times 1=1$. A 3D space $(x,y,t)$ is defined by $(x,y)$ coordinates in the image plane and CNN layer $t$, where a principal ray $(0,0,t)$ runs in the direction of information propagation through both the optical axis and the image center pixel located at $(x,y)=(0,0)$, about which the sharpest possible spatial focus is limited to a circle of confusion in the image plane. Our novel insight is to model the principal optical ray $(0,0,t)$ as geometrically equivalent to the medial vector in the positive orthant $I(x,y) \in R^{N+}$ of a $N$-channel activation space, e.g. along the greyscale (or luminance) vector $(t,t,t)$ in $RGB$ colour space. Information is thus concentrated into an energy potential $E(x,y,t)=\|I(x,y,t)\|^2$, which, particularly for bottleneck layers $t$ of generic CNNs, is highly concentrated and symmetric about the spatial origin $(0,0,t)$ and exhibits the well-known "Sombrero" potential of the boson particle. This symmetry is broken in classification, where bottleneck layers of generic pre-trained CNN models exhibit a consistent class-specific bias towards an angle $\theta \in U(1)$ defined simultaneously in the image plane and in activation feature space. Initial observations validate our hypothesis from generic pre-trained CNN activation maps and a bare-bones memory-based classification scheme, with no training or tuning. Training from scratch using combined one-hot $+ U(1)$ loss improves classification for all tasks tested including ImageNet.


翻译:我们报告了一个将深度神经神经网络(CNN)与生物视觉和基本粒子物理学连接起来的新模式。CNN的信息传播模式通过光学轴和位于$(x,y)=(0.0)的图像中心像素系统进行类比,在光学系统中,信息集中在一个瓶颈处,因为2D空间分辨率在1美元1=1美元上崩溃。3D空间$(x,y,t)由图像平面和CNN层的美元坐标($)(x,y)以美元(美元)为基价(美元)为基价(美元),在光学轴轴和图像中心中,以美元(美元)为基价(美元)信息传播方向,以美元(美元)为基数(x,以美元为基数(美元)为基数(美元),以基数(美元)为基数(美元(美元)为基数(美元)为基数(美元),以基数(美元(美元)为基数(美元(美元),以基数(美元)为基数(美元(美元)为基数(美元)的(美元)的(美元(美元),以内(美元(美元)为基数(美元)为基数(美元)的(美元)的内,以内,以内(美元)为基(美元)为基(美元)的(美元)的(美元)电流)的)图像(美元)图像(美元)为基)的(美元(美元)的(美元(美元)的(美元(美元)的)图像)的(美元)的)图像(美元(美元(美元)的)的)的)的)图像(美元(美元(美元)的)的)的)的(美元(美元(美元(美元(美元)的)预)的(美元(美元(美元(美元(美元)的)的)的)的)预)的)的)图像-(美元(美元)的)的)的)的)的)的(直压)变数(的)变数(的)变数(的)变数(的(的)的(的(的)的)变数(的)的(的(的)变)变)变)变的(的(的(数(美元(的)变)变)

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