由于下采样层的存在，卷积神经网络缺乏转变标准。在图像分类中，最近提出了自适应多相下采样（APS-D）以使CNN完全换档不变。但是，在用于图像重建任务的网络中，它不能自动恢复转移标准规范。我们通过提出自适应多相上升采样（APS-U），传统上采样的非线性扩展来解决该问题，该传统上采样的非线性扩展，其允许CNNS与对称编码器 - 解码器架构（例如U-Net）进行CNN，以表现出完美的换档设备。利用MRI和CT重建实验，我们表明，网络包含APS-D / U层的网络展示了本领域的状态性能，而不会牺牲图像重建质量。此外，与数据增强和抗锯齿等先前的方法不同，从APS-D / U获得的标准规范中的增益也扩展到训练分布外的图像。

Modern convolutional networks are not shiftinvariant, as small input shifts or translations can cause drastic changes in the output. Commonly used downsampling methods, such as max-pooling, strided-convolution, and averagepooling, ignore the sampling theorem. The wellknown signal processing fix is anti-aliasing by low-pass filtering before downsampling. However, simply inserting this module into deep networks degrades performance; as a result, it is seldomly used today. We show that when integrated correctly, it is compatible with existing architectural components, such as max-pooling and strided-convolution. We observe increased accuracy in ImageNet classification, across several commonly-used architectures, such as ResNet, DenseNet, and MobileNet, indicating effective regularization. Furthermore, we observe better generalization, in terms of stability and robustness to input corruptions. Our results demonstrate that this classical signal processing technique has been undeservingly overlooked in modern deep networks.

从早期图像处理到现代计算成像，成功的模型和算法都依赖于自然信号的基本属性：对称性。在这里，对称是指信号集的不变性属性，例如翻译，旋转或缩放等转换。对称性也可以以模棱两可的形式纳入深度神经网络中，从而可以进行更多的数据效率学习。虽然近年来端到端的图像分类网络的设计方面取得了重要进展，但计算成像引入了对等效网络解决方案的独特挑战，因为我们通常只通过一些嘈杂的不良反向操作员观察图像，可能不是均等的。我们回顾了现象成像的新兴领域，并展示它如何提供改进的概括和新成像机会。在此过程中，我们展示了采集物理学与小组动作之间的相互作用，以及与迭代重建，盲目的压缩感应和自我监督学习之间的联系。

卷积神经网络的理论表明，移位阶段性的特性，即移动输入会导致同样移动的输出。但是，实际上，情况并非总是如此。这为场景文本检测带来了一个很好的问题，对于文本检测，一致的空间响应至关重要，无论文本在场景中的位置如何。使用简单的合成实验，我们证明了最先进的完全卷积文本检测器的固有移位方差。此外，使用相同的实验设置，我们展示了较小的体系结构变化如何导致改善的移位等效性和较小的检测器输出变化。我们使用文本检测网络上的现实世界培训时间表来验证合成结果。为了量化转移变异性的量，我们提出了一个基于公认的文本检测基准测试的度量。虽然提出的架构更改无法完全恢复移位均衡性，但添加平滑过滤器可以显着提高公共文本数据集的变化一致性。考虑到小移位的潜在影响，我们建议通过本工作中描述的指标扩展常用的文本检测指标，以便能够量化文本检测器的一致性。

现有的感知相似性指标假定图像及其参考非常适合。结果，这些指标通常对人眼无法察觉的小对齐误差敏感。本文研究了微小的未对准的影响，特别是输入图像和参考图像之间对现有指标的微小变化，并因此发展了耐转移的相似性度量。本文以LPIP为基础，这是一种广泛使用的知觉相似性度量，并探索了建筑设计注意事项，以使其可抵抗不可察觉的未对准。具体而言，我们研究了广泛的神经网络元素，例如抗异化滤波，汇总，跨性别，填充和跳过连接，并讨论它们在制作强大度量方面的作用。根据我们的研究，我们开发了一种新的基于神经网络的知觉相似性度量。我们的实验表明，我们的指标宽容不可察觉的转变，同时与人类的相似性判断一致。

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.

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).

在这项工作中，我们调查如何实现方面，以纯粹来自数据的平台输入变换，而不会被赋予那些转换的模型。例如，卷积神经网络（CNNS）是对图像转换的等意识别，可以容易地建模的变换（通过垂直或水平地移动像素）。其他转换，例如外平面旋转，不承认一个简单的分析模型。我们提出了一种自动编码器架构，其嵌入了obeeys同时嵌入了一组任意的标准关系，例如翻译，旋转，颜色变化以及许多其他。这意味着它可以拍摄输入图像，并产生由之前未观察到的给定金额的版本（例如，相同对象的不同观点或颜色变化）。尽管延伸到许多（甚至是非几何）转换，但我们的模型在翻译标准规范的特殊情况下完全缩短了CNN。协调对深度网络的可解释性和稳健性是重要的，并且我们证明了在几个合成和实际数据集上成功重新渲染的输入图像的转换版本的结果，以及对象姿态估计的结果。

自动肿瘤或病变分割是用于计算机辅助诊断的医学图像分析的关键步骤。尽管基于卷积神经网络（CNN）的现有方法已经达到了最先进的表现，但医疗肿瘤分割中仍然存在许多挑战。这是因为，尽管人类视觉系统可以有效地检测到2D图像中的对称性，但常规CNN只能利用翻译不变性，忽略医学图像中存在的进一步固有的对称性，例如旋转和反射。为了解决这个问题，我们通过编码那些固有的对称性来学习更精确的表示形式，提出了一个新型的群体模棱两可的分割框架。首先，在每个方向上都设计了基于内核的模棱两可的操作，这使其能够有效地解决现有方法中学习对称性的差距。然后，为了保持全球分割网络，我们设计具有层面对称性约束的独特组层。最后，基于我们的新框架，对现实世界临床数据进行的广泛实验表明，一个群体含量的res-unet（名为GER-UNET）优于其基于CNN的常规对应物，并且在最新的分段方法中优于其最新的分段方法。肝肿瘤分割，COVID-19肺部感染分割和视网膜血管检测的任务。更重要的是，新建的GER-UNET还显示出在降低样品复杂性和过滤器的冗余，升级当前分割CNN和划定器官上的其他医学成像方式上的潜力。

我们分析了旋转模糊性在应​​用于球形图像的卷积神经网络（CNN）中的作用。我们比较了被称为S2CNN的组等效网络的性能和经过越来越多的数据增强量的标准非等级CNN。所选的体系结构可以视为相应设计范式的基线参考。我们的模型对投影到球体的MNIST或FashionMnist数据集进行了训练和评估。对于固有旋转不变的图像分类的任务，我们发现，通过大大增加数据增强量和网络的大小，标准CNN可以至少达到与Equivariant网络相同的性能。相比之下，对于固有的等效性语义分割任务，非等级网络的表现始终超过具有较少参数的模棱两可的网络。我们还分析和比较了不同网络的推理潜伏期和培训时间，从而实现了对等效架构和数据扩展之间的详细权衡考虑，以解决实际问题。实验中使用的均衡球网络可在https://github.com/janegerken/sem_seg_s2cnn上获得。

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。

We propose a novel antialiasing method to increase shift invariance in convolutional neural networks (CNNs). More precisely, we replace the conventional combination "real-valued convolutions + max pooling" ($\mathbb R$Max) by "complex-valued convolutions + modulus" ($\mathbb C$Mod), which produce stable feature representations for band-pass filters with well-defined orientations. In a recent work, we proved that, for such filters, the two operators yield similar outputs. Therefore, $\mathbb C$Mod can be viewed as a stable alternative to $\mathbb R$Max. To separate band-pass filters from other freely-trained kernels, in this paper, we designed a "twin" architecture based on the dual-tree complex wavelet packet transform, which generates similar outputs as standard CNNs with fewer trainable parameters. In addition to improving stability to small shifts, our experiments on AlexNet and ResNet showed increased prediction accuracy on natural image datasets such as ImageNet and CIFAR10. Furthermore, our approach outperformed recent antialiasing methods based on low-pass filtering by preserving high-frequency information, while reducing memory usage.

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。

将组对称性直接纳入学习过程，已被证明是模型设计的有效准则。通过生产保证对输入上的组动作改造协议的功能，Group-Secrivariant卷积神经网络（G-CNN）在具有内在对称的学习任务中实现了显着改善的泛化性能。已经研究了G-CNNS的一般理论和实际实施，用于旋转或缩放变换下的平面图像，但仅是单独的。在本文中，我们存在roto-scale-pranslance的CNN（RST-CNN），保证通过耦合组卷积来实现这三个组的增义性。此外，随着现实中的对称变换很少是非常完美的并且通常会受到输入变形的影响，我们提供了对输入失真的表示的等意识的稳定性分析，这激励了（预固定）低频空间下的卷积滤波器的截断扩展模式。所得到的模型可被证明可以实现变形 - 稳健的RST标准，即RST对称性仍然“大约”保存，当通过滋扰数据变形时“被污染”，这是对分布外概述尤为重要的属性。 Mnist，Fashion-Mnist和STL-10的数值实验表明，所提出的模型在现有技术中产生显着的增益，尤其是在数据内旋转和缩放变化的小数据制度中。

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.

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。

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。

合并对称性可以通过定义通过转换相关的数据样本的等效类别来导致高度数据效率和可推广的模型。但是，表征转换如何在输入数据上作用通常很困难，从而限制了模型模型的适用性。我们提出了编码输入空间（例如图像）的学习对称嵌入网络（SENS），我们不知道转换的效果（例如旋转），以在这些操作下以已知方式转换的特征空间。可以通过模棱两可的任务网络端对端训练该网络，以学习明确的对称表示。我们在具有3种不同形式的对称形式的模棱两可的过渡模型的背景下验证了这种方法。我们的实验表明，SENS有助于将模棱两可的网络应用于具有复杂对称表示的数据。此外，相对于全等级和非等价基线的准确性和泛化可以提高准确性和概括。

最新的2D图像压缩方案依赖于卷积神经网络（CNN）的力量。尽管CNN为2D图像压缩提供了有希望的观点，但将此类模型扩展到全向图像并不简单。首先，全向图像具有特定的空间和统计特性，这些特性无法通过当前CNN模型完全捕获。其次，在球体上，基本的数学操作组成了CNN体系结构，例如翻译和采样。在本文中，我们研究了全向图像的表示模型的学习，并建议使用球体的HealPix均匀采样的属性来重新定义用于全向图像的深度学习模型中使用的数学工具。特别是，我们：i）提出了在球体上进行新的卷积操作的定义，以保持经典2D卷积的高表现力和低复杂性； ii）适应标准的CNN技术，例如步幅，迭代聚集和像素改组到球形结构域；然后iii）将我们的新框架应用于全向图像压缩的任务。我们的实验表明，与应用于等应角图像的类似学习模型相比，我们提出的球形溶液可带来更好的压缩增益，可以节省比特率的13.7％。同样，与基于图形卷积网络的学习模型相比，我们的解决方案支持更具表现力的过滤器，这些过滤器可以保留高频并提供压缩图像的更好的感知质量。这样的结果证明了拟议框架的效率，该框架为其他全向视觉任务任务打开了新的研究场所，以在球体歧管上有效实施。