CAMERAS: Enhanced Resolution And Sanity Preserving Class Activation Mapping For Image Saliency 내용 정리 [XAI-24]

논문 제목: CAMERAS: Enhanced Resolution And Sanity Preserving Class Activation Mapping For Image Saliency 

논문 주소: https://arxiv.org/abs/2106.10649

CAMERAS: Enhanced Resolution And Sanity preserving Class Activation Mapping for image saliency

주요 내용 정리:

1) 얕은 layer에서의 features는 class-insensitive하며, 깊은 layer에서의 features는 high-level feature로 유용하지만 low resolution feature map을 갖는 문제점이 있다. 저자는 CAMERAS (Enhanced Resolution And Sanity preserving Class Activation Mapping for backpropagation image saliency)라는 새로운 방법의 gradient-based class activaiton mapping 방법을 제안하는데, 이 방법은 여러 layers들의 activaiton maps과 gradients를 fusion 함으로써, highly precise CAM을 생성해낸다. 밑의 그림은 이 방법의 전체적인 개요를 보여준다. Top figure에서는 제안된 CAMERAS 방법이 precise saliency map을 생성해내기 위해서, multi-scale activation maps과 backpropagated gradients를 fusion 한다는 것이다. Bottom figure는 CAMERAS가 쉽게 sanity check를 통과하는 것을 보여주는데, 이는 이 방법이 heuristic, priors, thresholds 등의 external factors에 영향을 받지 않기 때문이라고 저자는 이야기하고 있다.

External influences를 피하는 방법은 쉽게 sanity check를 통과할 수 있는데 (예, Grad-CAM), 이를 위해서는 주어진 정보만 사용하는 것이 중요하다. 먼저, Grad-CAM은 다음과 같이 표현된다.

$$w_k = \frac{1}{(m+n)}\sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n(\frac{\partial y^l}{\partial A_k^{(i,j)}})$$

$I \in \mathbb{R}^{c\times h \times w}$ 는 'c' channels 을 가진 input image, $K(I)$ 는 $I$를 prediction vector $y^l\in \mathbb{R}^L$로 mapping 하는 a deep visual classifier 이다. 여기서 $L$은 전체 class의 개수이며, $l$은 $I$에서 예측된 label 이다. 

위 $w_k$ 식에서, $A_k(I)\in \mathbb{R}^{m\times n}$은 마지막 convolutional layer에서 $k^{th}$ activation map을 의미하고, $S(I)\in \mathbb{R}^{m\times n}$은 $S^{(i,j)}(I)=\sum_k w_k A_k^{(i,j)}(I)$를 나타낸다.  

Final saliency map은 다음과 같이 표현된다.

$$\Psi \in \mathbb{R^{h\times w}}=f(S)$$

위 식에서 $f()$는 $m \times n$ matrix를 $h \times w$ matrix로 interpolating 하는 함수이다.

2) Grad-CAM은 두가지 문제점이 있음을 저자가 지적한다.

(1) Over-simpliation of the weights $w_k$:

Individual pixel에 대해서 importance를 계산하는 것이 아닌 특정 activation map에 대해서 importance를 계산한다는 점이다. 따라서, 밑의 식과 같이 individual backpropagated gradients를 고려하도록 한다.

$$S=\sum_k W_k \odot A_k$$

(2) Large interpolated segments:

Deep layer의 activation map은 input image에 비해서 매우 작은데, 최종적으로 interpolating을 통해서 input image size로 resize를 한다. 이때, heuristic과 같은 external information을 사용하는 경우가 있는데, 이 방법으로 인해서 original model에 기반한 방법이 아님으로 sanity check를 fail하는 문제를 일으킨다.

저자는 이 두 문제를 해결하기 위해서, multiple layers로 부터 획득되는 정보를 바탕으로 이 이슈들을 극복하고자 하였다. 

제안되는 salinecy map은 다음과 같이 나타낸다.

$$\Psi=f(ReLI(\sum_k W_k^*\odot A_k^*)), \forall k$$

위 식에서 $W_k^*\in \mathbb{R}^{h\times w}$ 는 $k^{th}$ activation map의 backpropgated gradients의 differential information을 encoding 하며, $A_k^*\in \mathbb{R^{h \times w}}$ 는 activation map 그자체의 enhanced resolution encoding이며, $f()$는 element-wise normalisation [0,1]을 수행하는 함수이다. 

$$W_k^* =E_t[\rho_t(W_k(\rho_t(I,\zeta_t)),\zeta_0)]$$

$$A_k^* = E_t[\rho_t(A_k(\rho_t(I,\zeta_t)),\zeta_0)]$$

위 식에서 $\rho_t(X,\zeta_t)$는 $t^{th}$ up-sampling으로 $X$에서 $\zeta_t$ dimension으로 resize하는 함수이고, $\zeta_0=(h,w)$로 input image $I$에 맞게 고정하였다. $W_k^{(i,j)}$ 는 $(\frac{\partial y^l}{\partial A_k^{(i,j)}})$로 정의된다. CAMERAS의 algorithm은 밑의 그림에 표시되어 있다.

위 알고리즘은 반복적으로 $k^{th}$ activation map에 대한 activation maps과 gradients에 대해서 multi-scale accumulation을 통해서 saliency map을 형성한다.

(line 4-5) $t^{th}$ iteration 에서 $I$는 maxium desired size $\zeta_m$에 기반한 $\zeta_t$ 크기로 up-sampling이 되며, $N$은 $\zeta_m$에 도달하기 위한 steps을 의미한다.

(line 6-10) Input up-scaling은 model의 prediction에 영향을 주지 않는 한, $k^{th}$ layer의 activation map과 backpropagated gradients도 up-sample되고 stored 된다.

(line 9) 새롭게 선언된 $\nabla J(K,l)$은 predicted label $l$에 대한 $k^th$ layer의 collective backpropgated gradients를 의미한다.

(line 8-9) Activation map과 gradients는 original image size $\zeta_0$에 맞게 up-sampling 된다.

(line 12-13) Up-sampled 된 activation map과 gradients를 accumualte 하고 최종적으로 average를 계산한다.

위 알고리즘에서 $k$는 last convolutional layer로 고정되었는데 이는 CNN에서 깊은 layers가 class-sensitivity하기 때문이다. $\zeta_m=cN\zeta_0$로, $c$는 step size로 정의된다.

CAMERAS에서는 saliency map에 대해서 어느 prior도, heuristic도 쓰질 않았고, 이로 인해서 sanity check를 pass할 수 있게 되는 것이다. 그리고 $\rho()$는 bi-linear interpolation으로 고정하였다.

(이후에 나오는 lemma, corollary를 설명하면서 왜 CAMERAS가 뛰어난 성능을 보여주는지에 대해서 설명하는데 이 부분은 관심이 있으면 논문에서 읽어보는 것을 추천한다.)

3) Results

위 그림에서 제안된 CAMERAS가 기존 방법대비 매우 precise 한 salinecy map을 생성하는 것을 알 수 있다. 또한, quantitative results에서도 CAMERAS는 상당히 좋은 성능을 보여주었다. (여기서 positive map density, negative map density에 대해서 설명해주는데, 이 부분도 관심이 있다면 논문을 읽어보길 바란다. 이 두 성능은 saliency map의 quality에 대해서 평가한다.)

CAMERAS 는 주요한 특징이 있다.

(1) The label attribution problem: 

밑의 그림을 보면 input perturbation-based method보다 CAMERAS가 더 정확하게 label attribution을 보여주고 있음을 알 수 있다.

(2) Prediciton confidence:

밑의 그림을 보면 CAMERAS는 individual images의 prediction confidence는 fine-grained features에 대해 model의 attention에 강력하게 영향을 받는다는 것이다. 다른 visual models (ResNet, DenseNet, Inception) 들이 비슷한 attention을 갖고 비슷한 confidence score를 갖는다.

(3) Discrimination of similar objects:

밑의 그림을 보면 비슷한 형태의 feature가 사용되었지만 서로 다른 label을 갖는 경우, CAMERAS는 다른 activaiton map을 보여주고 있다. Chain-line fence의 경우 individual chain knots을 activation 하고 있는 반면, swing의 경우 large chain structure를 activaiton 하는 모습을 볼 수 있다.

4) Adversarial attack enhancement

Attack 시에 projected gradient descent (PGD)는 강력한 attack 방법으로 고려된다. 이 방법을 바탕으로 CAMERAS를 사용해 좀 더 개선된 attack 방법을 제안하였다.

$$min_p (J(I_p,l_{ll})+\beta ||p\odot (1-\Psi)||_2)$$,

위 식에서 $I_p$는 perturbed image, $J()$는 cross entropy loss, $l_{ll}$은 clean image의 least likely label 이고, $p$는 purturbation을 나타낸다. 여기서 $\beta$는 50으로 정해졌다. CAMERAS 방법은 가장 중요한 부분에 영향을 줌으로써, required perturbation norm을 급격하게 줄였다. 밑의 그림을 보면, Enhanced PGD는 기존 PGD 보다 visual percetable한 부분을 매우 줄였음을 알 수 있다.

+

저자는 기존 CAM 기반의 문제점들을 해결하기 위해서 여러 layers들의 activation maps과 gradients를 fusion 한 CAMERAS라는 새로운 방법을 제안하였으며, 이 방법의 우수성을 기존 모델과 비교하여 보여주었다. 또한, adversarial attack에 대해서도 상당히 눈으로 확인하기 어렵게 attack sample을 만들 수 있음을 보여줌으로써 유용한 applicaiton으로 사용될 수 있음을 보였다. 아쉬운 점은 computation cost에 대해서 비교를 하는 표가 필요하지 않나 싶다.