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卷积神经网络的可解释方法研究

卷积神经网络的可解释方法研究

作者：赵小阳中国矿业大学

学位级别：硕士

卷积神经网络作为一种典型的深度神经网络模型,在图像识别、目标检测和语义分割等计算机视觉领域中表现出优越的性能。然而,卷积神经网络端到端的学习模式使其隐藏层的逻辑关系以及模型决策结果难以解释,这限制了其在自动驾驶、医疗保... 详细信息

卷积神经网络作为一种典型的深度神经网络模型,在图像识别、目标检测和语义分割等计算机视觉领域中表现出优越的性能。然而,卷积神经网络端到端的学习模式使其隐藏层的逻辑关系以及模型决策结果难以解释,这限制了其在自动驾驶、医疗保健和刑事司法等行业的应用。因此,研究可解释的卷积神经网络具有重要意义和应用价值。目前,为卷积神经网络输出提供解释的主要方法是借助模型额外的辅助信息,对预训练模型的节点激活总体趋势进行统计分析,此类方法统称为事后解释。然而,由于解释和模型预测是两个独立的过程,事后解释结果可能并不符合原始模型逻辑。因此,本文研究卷积神经网络的事前可解释方法,无需额外的辅助信息,分别从事前可解释方法的模型翻新技术和可解释表示两方面入手,通过设计模型可解释组件和设计实现模型内部表征解纠缠的正则化项,设计可自解释的卷积神经网络模型,具体成果如下:1、以事前原型样本可解释方法为思路,提出了基于可解释组件的轻量型自解释卷积神经网络。该网络利用可解释组件实现模型推理过程的透明化,并通过优化卷积结构设计具有性能保障的轻量型架构,以低部署成本实现网络自解释。首先,为了使模型解释更易于理解,设计了一种基于高层次特征的概念原型可解释(Concept Prototype Interpretation,CPI)组件,通过模型训练自动获取高置信度图像区域作为概念原型样本,再使用概念原型对测试样本进行案例推理解释。其次,为了降低因增加模型可解释性导致的模型分类性能的损失,设计了一种多尺度特征增广卷积模块(Multi-scale Feature Augmentation Convolution module,MFA),扩大特征提取感受野提高模型精度并降低网络复杂度。以Mobile Net V3为基准网络,利用MFA设计轻量型卷积结构,嵌入CPI组件,提出了基于可解释组件的轻量型自解释卷积神经网络(Lightweight Concept Prototype Interpretation,LCPINet)。最后,在CIFAR-10和ILSVRC2012数据集上的分类实验和可视化实验结果表明,在具有同等精度的水平下,LCPI-Net增加了模型可解释能力并实现了模型轻量化,计算能力优于Mobilenet V3、Mobilenet V2以及同类的卷积神经网络。2、针对事后概念向量方法依赖独立于原始模型的额外分类器的问题,提出了潜在空间自适应解纠缠的可解释卷积神经网络。该网络利用图卷积模块设计自适应解纠缠的可解释分类器,通过学习类别代表性基础概念及概念间依赖关系,采用不同的正交损失来分离不同依赖关系的基础概念间的纠缠,构造透明化的潜在分类空间。首先,为了获取类别代表性基础概念以及基础概念之间的依赖关系,设计了一种潜在空间类内概念图编码器,以图结构形式编码类别内基础概念,再利用图卷积模块学习顶点特征和有向边特征。其次,为了实现类别基础概念的自行分离,设置三段阈值将潜在空间中基础概念分为三类,分别进行不同方式不同程度的正交约束,提出了自适应解纠缠的可解释分类器(Adaptive Disentangled Interpretable Classifier,ADIC)。最后,以Res Net-18和Res Net-50为基准模型,添加ADIC,在Mini-Image Net和Places365数据集上的分类实验和可解释图像识别实验结果表明,ADIC在保证基准模型具有自解释能力的前提下,可以进一步提高基准模型的精度。该论文有图39幅,表10个,参考文献107篇

关键词：卷积神经网络可解释性模型翻新概念原型样本类别基础概念

ADIC:一种面向可解释图像识别的自适应解纠缠CNN分类器

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计算机研究与发展 2023年第8期60卷 1754-1767页

作者：赵小阳李仲年王文玉许新征中国矿业大学计算机学院江苏徐州221116 中国矿业大学教育部矿山数字化工程研究中心江苏徐州221116

近年来,卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)作为一种典型的深度神经网络模型,在图像识别、目标检测和语义分割等计算机视觉领域中取得了令人瞩目的成效.然而,CNN端到端的学习模式使其隐藏层的逻辑关系以及模型决策结果难... 详细信息

近年来,卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)作为一种典型的深度神经网络模型,在图像识别、目标检测和语义分割等计算机视觉领域中取得了令人瞩目的成效.然而,CNN端到端的学习模式使其隐藏层的逻辑关系以及模型决策结果难以被解释,这限制了其推广应用.因此,研究可解释的CNN具有重要意义和应用价值.为了使CNN的分类器具有可解释性,近年来涌现出了很多在CNN架构中引入基础概念作为插入式成分的研究.事后概念激活向量方法以基础概念为表现形式,用于分析预训练的模型,但依赖独立于原始模型的额外的分类器,解释结果可能并不符合原始模型逻辑.另外,现有的一些基于概念的事前可解释方法对于CNN潜在分类空间中的概念处理太过绝对.引入图卷积网络模块,设计了一种类内概念图编码器(within-class concepts graphs encoder, CGE)学习类内基础概念及其潜在交互.在CGE基础上,设计实现不同依赖关系的基础概念不同程度解纠缠的正则化项,提出了潜在空间自适应解纠缠的可解释CNN分类器(adaptive disentangled interpretable CNN classifier, ADIC).将ADIC嵌入ResNet-18和ResNet-50架构,在Mini-ImageNet和Places365数据集上的分类实验和可解释图像识别实验结果表明,ADIC在保证基准模型具有自解释能力的前提下,可以进一步提高基准模型的精度.

关键词：卷积神经网络可解释性类别基础概念解纠缠图卷积网络

胆囊结石合并高血压病腹腔镜手术中手术室全程护理的效果评价

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中西医结合心血管病电子杂志 2022年第28期 136-138+146页

作者：赵小阳泰州市第二人民医院手术室

目的评价胆囊结石合并高血压病患者接受手术室全程护理的效果。方法选择2021年1月至2022年4月我院收治的胆囊结石合并高血压的腹腔镜手术患者62例，随机数表法分为研究组和对照组。对照组应用常规手术室护理，研究组应用手术室全程护... 详细信息

目的评价胆囊结石合并高血压病患者接受手术室全程护理的效果。方法选择2021年1月至2022年4月我院收治的胆囊结石合并高血压的腹腔镜手术患者62例，随机数表法分为研究组和对照组。对照组应用常规手术室护理，研究组应用手术室全程护理服务，分析不同护理方式的效果。结果研究组患者满意度高于对照组，胃肠道恢复情况、手术指标（手术准备时间、气腹建立时间、腔内操作时间、术后整理时间）及住院时间均短于对照组，并发症发生率低于对照组，差异有统计学意义（P <0.05）。结论手术室全程护理用在胆囊结石合并高血压腹腔镜手术患者中，可改善临床指标，提升护理满意度，减少并发症发生。

关键词：胆囊结石高血压病腹腔镜手术护理满意度临床指标并发症

科学绿化地理场景的动态符号设计与多尺度表达

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测绘通报 2023年第11期 88-94页

作者：付乐宜赵小阳吴凯华孙颖广州市城市规划勘测设计研究院广东广州510060 广州市资源规划和海洋科技协同创新中心广东广州510060 广东省城市感知与监测预警企业重点实验室广东广州510060 中山大学地理科学与规划学院广东广州510275

作为城市建设高质量发展的重要环节,科学绿化采用新时代背景下的新型测绘手段,为国土绿化行动提供全方位技术保障。基于人对空间图形的认知规律和地图的空间表达能力,使用地图符号对科学绿化核心要素进行可视化表达,可提高大众对城市绿... 详细信息

作为城市建设高质量发展的重要环节,科学绿化采用新时代背景下的新型测绘手段,为国土绿化行动提供全方位技术保障。基于人对空间图形的认知规律和地图的空间表达能力,使用地图符号对科学绿化核心要素进行可视化表达,可提高大众对城市绿化的整体认知,使科学绿化理念深入人心。地图符号表达在科学绿化领域中的研究较少,传统方法在具体设计中多以模拟示意为主,难以传达专题特性。本文基于地图学新概念“地理场景”,以动态地图符号设计方法为指导,构建多尺度科学绿化动态场景:依据省级大尺度、区域级中尺度、地块级小尺度的场景特征,通过多符号设计参量组合,基于各尺度动态特性实现绿化要素动态符号设计;为使受众有更优的阅读体验,遵循信息详细程度与视点观察距离呈反比规律,构建连续多比例尺场景实现自适应切换,从而为科学绿化场景表达提供支持,辅助绿化管理部门分析决策。

关键词：科学绿化地理场景动态符号符号设计多尺度表达

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基于分集技术的射频仿真角度精度提高

系统工程与电子技术 2017年第9期39卷 2143-2148页

作者：唐波盛新庆金从军赵小阳北京科技大学计算机与通信工程学院北京理工大学信息与电子学院电磁仿真中心北京仿真中心中国人民解放军96610部队

研究了提高射频仿真系统的角度精度的方法。提出了三元组分集技术,该技术通过使用多个三元组同时对同一个点目标进行模拟来提高仿真角度精度。不同三元组具有相互独立的角度误差的电磁能流在空中汇集,称之为空间合并。当各三元组的能流... 详细信息

研究了提高射频仿真系统的角度精度的方法。提出了三元组分集技术,该技术通过使用多个三元组同时对同一个点目标进行模拟来提高仿真角度精度。不同三元组具有相互独立的角度误差的电磁能流在空中汇集,称之为空间合并。当各三元组的能流配以合适的权重时,空间合并会给出最佳的角度精度。该文依据最大比率合并算法,给出了各三元组的最佳权重。当5个三元组进行分集时,仿真角度误差的方差可以减小到原来的60%以下。参与分集的三元组数目越大,仿真角度精度越高。这对于进一步提高三元组射频仿真精度具有理论意义和实用价值。

关键词：射频仿真三元组角度误差分集

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耦合对半实物射频仿真的影响分析

系统工程与电子技术 2018年第4期40卷 927-933页

作者：唐波盛新庆金从军赵小阳北京科技大学计算机与通信工程学院北京理工大学信息与电子学院电磁仿真中心北京仿真中心中国人民解放军96610部队

三元组射频仿真是电子系统进行外场试验前的必要步骤,仿真的有效性取决于电子系统在室内仿真与外场试验下的响应一致性。研究了耦合效应对三元组射频仿真的影响。通过理论分析与全波电磁计算,分析了发射端三元组单元间的耦合、接收端单... 详细信息

三元组射频仿真是电子系统进行外场试验前的必要步骤,仿真的有效性取决于电子系统在室内仿真与外场试验下的响应一致性。研究了耦合效应对三元组射频仿真的影响。通过理论分析与全波电磁计算,分析了发射端三元组单元间的耦合、接收端单元间耦合对仿真的影响。结果表明,当接收端方向图在三元组邻域内均匀时,发射端的单元间耦合可以忽略;当接收端各支路的天线之间耦合参数与电磁波照射方向无关时,接收端耦合对射频仿真无影响。基于文中参数,发射端耦合、接收端耦合造成的仿真误差分别低于总仿真误差两个数量级、一个数量级。

关键词：三元组射频仿真系统耦合仿真精度

改进GAC模型在点云和影像自动提取建筑物边界中的应用

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测绘学报 2013年第3期42卷 337-343,350页

作者：孙颖张新长康停军赵小阳张维中山大学地理科学与规划学院广东广州510275 广东工贸职业技术学院广东广州510510 广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室广东广州510275 佛山市城市规划勘测设计研究院广东佛山528000 广州市城市规划勘测设计研究院广东广州510060

以自动生成测地线活动轮廓(geodesic active contour,GAC)模型的初始曲线及改进其外力为出发点,提出一种基于LiDAR点云和随机影像数据,利用改进的GAC模型进行建筑物边界提取的方案。首先利用形态学交替序贯滤波自动获得模型演化的初始曲... 详细信息

以自动生成测地线活动轮廓(geodesic active contour,GAC)模型的初始曲线及改进其外力为出发点,提出一种基于LiDAR点云和随机影像数据,利用改进的GAC模型进行建筑物边界提取的方案。首先利用形态学交替序贯滤波自动获得模型演化的初始曲线;进而利用LiDAR深度梯度影像改进模型演化的外力,得到了改进的测地线活动轮廓(improved geodesic active contour,IGAC)模型。仿真试验表明,采用IGAC模型,可抑制弱边界泄漏,并提高建筑物边界提取的完整性和形状精确度。

关键词： GAC模型交替序贯滤波 LiDAR点云航空影像建筑物边界提取

大数据背景下的城市大比例尺地形图更新及应用探讨

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测绘通报 2016年第2期 116-119页

作者：赵小阳孙颖广州市城市规划勘测设计研究院广东广州510060 中山大学地理科学与规划学院广东广州510275

在大数据背景下分析了国内各主要城市大比例地形图更新的现状,总结了目前城市大比例尺地形图更新存在地形图变化发现难、成本投入持续增多、历史数据挖掘不够充分、数据库建设与实际应用脱节、地下空间信息未表示等新问题,结合广州市近... 详细信息

在大数据背景下分析了国内各主要城市大比例地形图更新的现状,总结了目前城市大比例尺地形图更新存在地形图变化发现难、成本投入持续增多、历史数据挖掘不够充分、数据库建设与实际应用脱节、地下空间信息未表示等新问题,结合广州市近年工程实践,提出了利用多源数据、历史数据挖掘、开发综合缩编软件和开展地下空间设计普查等关键技术,优化地形图更新模式及手段,拓展地形图应用领域。

关键词：大数据基础测绘大比例地形图动态更新

单倍体胚胎干细胞——哺乳动物基因功能研究的新工具

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中国细胞生物学学报 2013年第7期35卷 903-906页

作者：帅领李伟赵小阳周琪中国科学院动物研究所计划生育生殖生物学国家重点实验室

1单倍体细胞研究背景单倍体细胞只具有一套染色体,没有等位基因的存在,因而它们在遗传分析、基因功能与性状研究中具有重要的应用价值。单倍体细胞在低等生物如细菌、真菌中普遍存在,结合这些物种特有的快速增殖能力,而成为遗传学和基... 详细信息

1单倍体细胞研究背景单倍体细胞只具有一套染色体,没有等位基因的存在,因而它们在遗传分析、基因功能与性状研究中具有重要的应用价值。单倍体细胞在低等生物如细菌、真菌中普遍存在,结合这些物种特有的快速增殖能力,而成为遗传学和基因组学研究的重要工具,极大地推动了生命科学研究的进展。对于哺乳动物,单倍体细胞仅局限于雌雄配子,而配子细胞在体外只能存活很短的时间,极大地限制了哺乳类的单倍体细胞在遗传学筛选研究中的应用。为了

关键词：胚胎干细胞转基因小鼠动物基因转移小家鼠胚胎干细胞系基因功能