Translating or rotating an input image should not affect the results of many computer vision tasks. Convolutional neural networks (CNNs) are already translation equivariant: input image translations produce proportionate feature map translations. This is not the case for rotations. Global rotation equivariance is typically sought through data augmentation, but patch-wise equivariance is more difficult. We present Harmonic Networks or H-Nets, a CNN exhibiting equivariance to patch-wise translation and 360-rotation. We achieve this by replacing regular CNN filters with circular harmonics, returning a maximal response and orientation for every receptive field patch.H-Nets use a rich, parameter-efficient and fixed computational complexity representation, and we show that deep feature maps within the network encode complicated rotational invariants. We demonstrate that our layers are general enough to be used in conjunction with the latest architectures and techniques, such as deep supervision and batch normalization. We also achieve state-of-the-art classification on rotated-MNIST, and competitive results on other benchmark challenges.

We introduce Group equivariant Convolutional Neural Networks (G-CNNs), a natural generalization of convolutional neural networks that reduces sample complexity by exploiting symmetries. G-CNNs use G-convolutions, a new type of layer that enjoys a substantially higher degree of weight sharing than regular convolution layers. G-convolutions increase the expressive capacity of the network without increasing the number of parameters. Group convolution layers are easy to use and can be implemented with negligible computational overhead for discrete groups generated by translations, reflections and rotations. G-CNNs achieve state of the art results on CI-FAR10 and rotated MNIST.

标准卷积神经网络（CNN）的卷积层与翻译一样。然而，卷积和完全连接的层与其他仿射几何变换并不是等等的或不变的。最近，提出了一类新的CNN，其中CNN的常规层被均衡卷积，合并和批量归一化层代替。 eprovariant神经网络中的最终分类层对于不同的仿射几何变换（例如旋转，反射和翻译）是不变的，并且标量值是通过消除过滤器响应的空间尺寸，使用卷积和向下缩采样的整个网络或平均值来获得。接管过滤器响应。在这项工作中，我们建议整合正交力矩，该矩将功能的高阶统计数据作为编码全局不变性在旋转，反射和翻译中的有效手段。结果，网络的中间层变得模棱两可，而分类层变得不变。出于这个目的，考虑使用最广泛使用的Zernike，伪菜单和正交傅立叶粉刺矩。通过在旋转的MNIST和CIFAR10数据集上集成了组等级CNN（G-CNN）的体系结构中的不变过渡和完全连接的层来评估所提出的工作的有效性。

卷积神经网络（CNN）在翻译下是固有的等分反，但是，它们没有等效的嵌入机制来处理其他变换，例如旋转和规模变化。存在几种方法，使CNN通过设计在其他转换组下变得等效。其中，可操纵的CNN特别有效。然而，这些方法需要将滤波器重新设计标准网络，筛选涉及复杂的分析功能的预定义基的组合。我们通过实验证明，在选择的基础上的这些限制可能导致模型权重，这对主要深度学习任务进行了次优（例如，分类）。此外，这种硬烘焙的显式配方使得难以设计包括异质特征组的复合网络。为了规避此类问题，我们提出了隐含的等级网络（IEN），其通过优化与标准损耗术语相结合的多目标损耗函数来诱导标准CNN模型的不同层的等级。通过在ROT-MNIST上的VGG和RESNET模型的实验，ROT-TINIMAGENET，SCALE-MNIST和STL-10数据集上，我们表明IEN，即使是简单的配方，也要优于可操纵网络。此外，IEN促进了非均相过滤器组的构建，允许CNNS中的通道数量减少超过30％，同时保持与基线的表现。 IEN的功效进一步验证了视觉对象跟踪的难题。我们表明IEN优于最先进的旋转等级跟踪方法，同时提供更快的推理速度。

The principle of equivariance to symmetry transformations enables a theoretically grounded approach to neural network architecture design. Equivariant networks have shown excellent performance and data efficiency on vision and medical imaging problems that exhibit symmetries. Here we show how this principle can be extended beyond global symmetries to local gauge transformations. This enables the development of a very general class of convolutional neural networks on manifolds that depend only on the intrinsic geometry, and which includes many popular methods from equivariant and geometric deep learning.We implement gauge equivariant CNNs for signals defined on the surface of the icosahedron, which provides a reasonable approximation of the sphere. By choosing to work with this very regular manifold, we are able to implement the gauge equivariant convolution using a single conv2d call, making it a highly scalable and practical alternative to Spherical CNNs. Using this method, we demonstrate substantial improvements over previous methods on the task of segmenting omnidirectional images and global climate patterns.

由于其在翻译下的增强/不变性，卷积网络成功。然而，在坐标系的旋转取向不会影响数据的含义（例如对象分类）的情况下，诸如图像，卷，形状或点云的可旋转数据需要在旋转下的增强/不变性处理。另一方面，在旋转很重要的情况下是必要的估计/处理旋转（例如运动估计）。最近在所有这些方面的方法和理论方面取得了进展。在这里，我们提供了2D和3D旋转（以及翻译）的现有方法的概述，以及识别它们之间的共性和链接。

卷积神经网络（CNNS）非常有效，因为它们利用自然图像的固有转换不变性。但是，翻译只是无数的有用空间转换之一。在考虑其他空间的侵犯侵犯性时可以获得相同的效率吗？过去已经考虑过这种广义综合，但以高计算成本为例。我们展示了一个简单和精确的建筑，但标准卷积具有相同的计算复杂性。它由一个恒定的图像扭曲，后跟一个简单的卷积，这是深度学习工具箱中的标准块。通过精心制作的经线，所产生的架构可以使成功的架构成为各种各样的双参数空间转换。我们展示了令人鼓舞的现实情景结果，包括谷歌地球数据集（旋转和缩放）中车辆姿势的估计，并且面部在野外注释的面部地标中的面部姿势（在透视下的3D旋转）。

标准情况被出现为对构成组的身份保留转换的物体表示的理想性质，例如翻译和旋转。然而，由组标准规定的表示的表示的表现仍然不完全理解。我们通过提供封面函数计数定理的概括来解决这个差距，这些定理量化了可以分配给物体的等异点的线性可分离和组不变二进制二分层的数量。我们发现可分离二分法的分数由由组动作固定的空间的尺寸决定。我们展示了该关系如何扩展到卷积，元素 - 明智的非线性和全局和本地汇集等操作。虽然其他操作不会改变可分离二分法的分数，但尽管是高度非线性操作，但是局部汇集减少了分数。最后，我们在随机初始化和全培训的卷积神经网络的中间代表中测试了我们的理论，并找到了完美的协议。

我们研究复杂的缩放作为一种自然的对称性和复杂的测量和表示独特的对称性。深度复杂网络（DCN）将实值的代数扩展到复杂域，而不会解决复杂值缩放。超现实占据复杂数字的限制性歧管视图，采用距离度量来实现复杂的缩放不变性，同时丢失丰富的复合值。我们分析了复杂的缩放，作为共同领域的转换和设计新颖的具有这种特殊转换的不变神经网络层。我们还提出了RGB图像的新型复合值表示，其中复值缩放表示色调偏移或跨色通道的相关变化。在MSTAR，CIFAR10，CIFAR100和SVHN上基准测试，我们的共同域对称（CDS）分类器提供更高的准确性，更好的泛化，对共同域变换的鲁棒性，以及比DCN和超现实的更低模型偏差和方差，具有较少的参数。

基于2D图像的3D对象的推理由于从不同方向查看对象引起的外观差异很大，因此具有挑战性。理想情况下，我们的模型将是对物体姿势变化的不变或等效的。不幸的是，对于2D图像输入，这通常是不可能的，因为我们没有一个先验模型，即在平面外对象旋转下如何改变图像。唯一的$ \ mathrm {so}（3）$ - 当前存在的模型需要点云输入而不是2D图像。在本文中，我们提出了一种基于Icosahedral群卷积的新型模型体系结构，即通过将输入图像投影到iCosahedron上，以$ \ mathrm {so（3）} $中的理由。由于此投影，该模型大致与$ \ mathrm {so}（3）$中的旋转大致相当。我们将此模型应用于对象构成估计任务，并发现它的表现优于合理的基准。

我们介绍了CheBlieset，一种对（各向异性）歧管的组成的方法。对基于GRAP和基于组的神经网络的成功进行冲浪，我们利用了几何深度学习领域的最新发展，以推导出一种新的方法来利用数据中的任何各向异性。通过离散映射的谎言组，我们开发由各向异性卷积层（Chebyshev卷积），空间汇集和解凝层制成的图形神经网络，以及全球汇集层。集团的标准因素是通过具有各向异性左不变性的黎曼距离的图形上的等级和不变的运算符来实现的。由于其简单的形式，Riemannian公制可以在空间和方向域中模拟任何各向异性。这种对Riemannian度量的各向异性的控制允许平衡图形卷积层的不变性（各向异性度量）的平衡（各向异性指标）。因此，我们打开大门以更好地了解各向异性特性。此外，我们经验证明了在CIFAR10上的各向异性参数的存在（数据依赖性）甜点。这一关键的结果是通过利用数据中的各向异性属性来获得福利的证据。我们还评估了在STL10（图像数据）和ClimateNet（球面数据）上的这种方法的可扩展性，显示了对不同任务的显着适应性。

定义网格上卷积的常用方法是将它们作为图形解释并应用图形卷积网络（GCN）。这种GCNS利用各向同性核，因此对顶点的相对取向不敏感，从而对整个网格的几何形状。我们提出了规范的等分性网状CNN，它概括了GCNS施加各向异性仪表等级核。由于产生的特征携带方向信息，我们引入了通过网格边缘并行传输特征来定义的几何消息传递方案。我们的实验验证了常规GCN和其他方法的提出模型的显着提高的表达性。

本文提出了一种新的点云卷积结构，该结构学习了SE（3） - 等级功能。与现有的SE（3） - 等级网络相比，我们的设计轻巧，简单且灵活，可以合并到一般的点云学习网络中。我们通过为特征地图选择一个非常规域，在模型的复杂性和容量之间取得平衡。我们通过正确离散$ \ mathbb {r}^3 $来完全利用旋转对称性来进一步减少计算负载。此外，我们采用置换层从其商空间中恢复完整的SE（3）组。实验表明，我们的方法在各种任务中实现了可比或卓越的性能，同时消耗的内存和运行速度要比现有工作更快。所提出的方法可以在基于点云的各种实用应用中促进模棱两可的特征学习，并激发现实世界应用的Equivariant特征学习的未来发展。

我们研究小组对称性如何帮助提高端到端可区分计划算法的数据效率和概括，特别是在2D机器人路径计划问题上：导航和操纵。我们首先从价值迭代网络（VIN）正式使用卷积网络进行路径计划，因为它避免了明确构建等价类别并启用端到端计划。然后，我们证明价值迭代可以始终表示为（2D）路径计划的某种卷积形式，并将结果范式命名为对称范围（SYMPLAN）。在实施中，我们使用可进入的卷积网络来合并对称性。我们在导航和操纵方面的算法，具有给定或学习的地图，提高了与非等级同行VIN和GPPN相比，大幅度利润的训练效率和概括性能。

现有的球形卷积神经网络（CNN）框架在计算方面既可以扩展又是旋转等值的。连续的方法捕获旋转模棱两可，但通常在计算上是过时的。离散的方法提供了更有利的计算性能，但付出了损失。我们开发了一个混合离散（迪斯科）组卷积，该卷积同时均具有等效性，并且在计算上可扩展到高分辨率。虽然我们的框架可以应用于任何紧凑的组，但我们专注于球体。我们的迪斯科球形卷积不仅表现出$ \ text {so}（3）$ rotational equivariance，而且还表现出一种渐近$ \ text {so}（3）/\ text {so}（so}（so}（2）$ rotationation eporational ecorivarianciancience，对于许多应用程序（其中$ \ text {so}（n）$是特殊的正交组，代表$ n $ dimensions中的旋转）。通过稀疏的张量实现，我们可以在球体上的像素数量进行线性缩放，以供计算成本和内存使用情况。对于4K球形图像，与最有效的替代替代品量球卷积相比，我们意识到节省了$ 10^9 $的计算成本和$ 10^4 $的内存使用情况。我们将迪斯科球形CNN框架应用于球体上的许多基准密集预测问题，例如语义分割和深度估计，在所有这些问题上，我们都达到了最先进的性能。

在本文中，我们涉及在2D点云数据上的旋转设备。我们描述了一种特定的功能，能够近似任何连续旋转等级和置换不变函数。基于这一结果，我们提出了一种新的神经网络架构，用于处理2D点云，我们证明其普遍性地用于近似呈现这些对称的功能。我们还展示了如何扩展架构以接受一组2D-2D对应关系作为Indata，同时保持类似的标准性属性。关于立体视觉中必需基质的估计的实验。

We observe that despite their hierarchical convolutional nature, the synthesis process of typical generative adversarial networks depends on absolute pixel coordinates in an unhealthy manner. This manifests itself as, e.g., detail appearing to be glued to image coordinates instead of the surfaces of depicted objects. We trace the root cause to careless signal processing that causes aliasing in the generator network. Interpreting all signals in the network as continuous, we derive generally applicable, small architectural changes that guarantee that unwanted information cannot leak into the hierarchical synthesis process. The resulting networks match the FID of StyleGAN2 but differ dramatically in their internal representations, and they are fully equivariant to translation and rotation even at subpixel scales. Our results pave the way for generative models better suited for video and animation. * This work was done during an internship at NVIDIA. 35th Conference on Neural Information Processing Systems (NeurIPS 2021).

Steerable convolutional neural networks (CNNs) provide a general framework for building neural networks equivariant to translations and other transformations belonging to an origin-preserving group $G$, such as reflections and rotations. They rely on standard convolutions with $G$-steerable kernels obtained by analytically solving the group-specific equivariance constraint imposed onto the kernel space. As the solution is tailored to a particular group $G$, the implementation of a kernel basis does not generalize to other symmetry transformations, which complicates the development of group equivariant models. We propose using implicit neural representation via multi-layer perceptrons (MLPs) to parameterize $G$-steerable kernels. The resulting framework offers a simple and flexible way to implement Steerable CNNs and generalizes to any group $G$ for which a $G$-equivariant MLP can be built. We apply our method to point cloud (ModelNet-40) and molecular data (QM9) and demonstrate a significant improvement in performance compared to standard Steerable CNNs.

现有的等分性神经网络需要先前了解对称组和连续组的离散化。我们建议使用Lie代数（无限发电机）而不是谎言群体。我们的模型，Lie代数卷积网络（L-Chir）可以自动发现对称性，并不需要该组的离散化。我们展示L-CONC可以作为构建任何组的建筑块，以构建任何组的馈电架构。CNN和图表卷积网络都可以用适当的组表示为L-DIV。我们发现L-CONC和物理学之间的直接连接：（1）组不变损失概括场理论（2）欧拉拉格朗法令方程测量鲁棒性，（3）稳定性导致保护法和挪威尔特。这些连接开辟了新的途径用于设计更多普遍等级的网络并将其应用于物理科学中的重要问题

Convolutional neural networks have been extremely successful in the image recognition domain because they ensure equivariance to translations. There have been many recent attempts to generalize this framework to other domains, including graphs and data lying on manifolds. In this paper we give a rigorous, theoretical treatment of convolution and equivariance in neural networks with respect to not just translations, but the action of any compact group. Our main result is to prove that (given some natural constraints) convolutional structure is not just a sufficient, but also a necessary condition for equivariance to the action of a compact group. Our exposition makes use of concepts from representation theory and noncommutative harmonic analysis and derives new generalized convolution formulae.