Expansión de la capacidad de los filtros convolucionales en redes neuronales - Larregui, Juan Ignacio (2021)
En los últimos años el campo de la Visión Artificial ha experimentado un crecimiento acelerado con el éxito de las Redes Neuronales Artificiales y el Aprendizaje Profundo. La cantidad de datos etiquetados que se han relevado, las mejoras en hardware especializado y las importantes modificaciones introducidas en los algoritmos tradicionales surgidos en la segunda mitad del siglo pasado han posibilitado el avance en problemas complejos que parecían imposibles de abordar pocos años atrás. En particular, las Redes Neuronales Convolucionales se han convertido en el modelo más popular dentro de este campo de las Ciencias de la Computación. A lo largo de la década del 2010, los trabajos que avanzaron el estado del arte en los diferentes problemas de la Visión Artificial han incluido casi exclusivamente redes de este tipo. Sin embargo, algunos componentes de las Redes Convolucionales han mantenido sus estructuras y definiciones originales. Este es el caso de los filtros convolucionales, los cuales han mantenido su estructura geométrica estática en las últimas décadas. El objetivo general de esta tesis es explorar las limitaciones inherentes a la estructura tradicional de los filtros convolucionales, proponiendo nuevas definiciones y operaciones para superar las mismas. En esta línea, se presenta una generalización de la definición de los filtros convolucionales, extendiendo el concepto de dilatación de los mismos a intervalos continuos sobre las dimensiones espaciales. Adicionalmente, se presenta una nueva definición de la Convolución Dilatada para permitir comportamientos dinámicos durante el proceso de entrenamiento. Basadas en las definiciones introducidas, se proponen las nuevas operaciones de Convolución de Dilatación Adaptativa y Convolución de Dilatación Aleatoria. La primera introduce a las redes convolucionales la capacidad de optimizar la dilatación de los filtros de acuerdo a los datos de entrada, de manera de adaptarse dinámicamente a los cambios semánticos y geométricos presentes en las diferentes escenas. La segunda permite explorar la utilización de filtros de dilataciones aleatorias para simular transformaciones de escala, con el objetivo de aumentar la invariancia a escala de una red convolucional, una de sus limitaciones más conocidas. Finalmente, se definieron casos de estudio para Clasificación de Imágenes y Segmentación Semántica, de manera de obtener métricas cuantitativas que permitan evaluar las propuestas realizadas. Se realizaron múltiples entrenamientos de diferentes arquitecturas y configuraciones para redes conocidas en la literatura, mostrando resultados favorables con la inclusión de las operaciones propuestas. Más aún, el diseño de estas es modular, por lo que pueden ser incluidas en arquitecturas arbitrarias.