Lecture 03 学习讲义
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学习信号与表示限制可见信息,怎样构成可验证的重建任务?

先限制输入,重建才不只是复制

解释、算例与证据

P19 · 另一条路线:根据可见内容预测缺失

重建不是简单复制;瓶颈、破坏或遮挡为学习增加约束,和视图关系形成另一类目标。

P19 学习表示机制图,状态 1P19 学习表示机制图,状态 1完整原图只藏一小块藏住四分之三图像存在局部冗余邻近颜色可能已足够更需要跨区域线索可见内容 → 预测隐藏内容这里只显示输入与目标遮挡;没有把绘制出来的补图冒充模型重建。

同一图的完整、单块遮挡和75%遮挡并列,不展示模型重建结果。

  • 完整原图
  • 只藏一小块
  • 藏住四分之三
  • 图像存在局部冗余
  • 邻近颜色可能已足够
  • 更需要跨区域线索
  • 可见内容 → 预测隐藏内容
  • 这里只显示输入与目标遮挡;没有把绘制出来的补图冒充模型重建。
同一图的完整、单块遮挡和75%遮挡并列,不展示模型重建结果。 查看对应图解状态
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课堂讲述

刚才的目标要求两个视图建立对应。另一条路线不先问“它和谁相同”,而是问“只看到一部分,能否预测没看到的部分”。视觉补全和重建研究并不是 MAE 才出现,MAE 是在这条线上重新选择任务难度与计算组织。 图像局部经常有冗余。缺一个很小的块,模型可能靠邻近颜色纹理就完成得不错;隐藏更多内容,预测会需要利用更大范围的结构,但任务也可能过难。 所以不能只把语言里的遮挡形式搬过来,就认为视觉问题已经解决。要具体决定遮多少、编码器看什么、解码器做什么,以及最后拿什么评价表示。下面用同一张图把 MAE 的这几个选择连起来。

重建需要什么限制,才不只是在复制?

独立阅读

如果把原图完整交给一个足够强的模型,再要求原样输出,复制就能得到零误差。重建作为表示学习目标,需要规定信息怎样通过:离散词典限制代码只能是一个索引,PCA限制在线性低维子空间,去噪自编码器限制只能看被破坏输入,MAE限制只看到部分位置。

这些限制迫使模型利用数据规律。反过来,跳连若把目标原样送到输出,或输入预处理意外泄漏被遮像素,就可能完成重建却绕过了希望训练的表示。

本讲不要求先学完所有自编码器。沿“输入可见什么→中间表示允许什么→在哪些位置算误差”即可比较它们。LAB 05保留真实patch词典拟合,CLS 05给PCA与去噪推导,LAB 08再把重建和冻结读出接到同一图像实验。

图示条件与公式约定

遮挡图由同一原图与固定网格生成。小遮挡仅隐藏位置9;大遮挡保留位置0、3、9、14。不绘制、也不宣称本轮有 MAE 重建输出。

这条线索的展开与后续阅读

学习信号与表示限制可见信息,怎样构成可验证的重建任务?

重建误差最小,未必保留任务所需差异

用四个确定点,把重建目标与未来分类目标分开。

保留最大方差,不等于保留任务答案

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取四点 (2,0),(−2,0),(0,1),(0,−1)(2,0),(-2,0),(0,1),(0,-1)。均值为零,按四个样本取平均的协方差为diag(2,0.5)。PCA只保留一维时选择横轴:前两点不变,后两点投影为原点。平均平方重建误差为 (0+0+1+1)/4=0.5(0+0+1+1)/4=0.5;若选纵轴,则为2。

在“尽量重建输入”这个题目下,横轴合理。但若任务要区分纵坐标正负,两点落在原点后就无法再区分。问题不在PCA算错,而在重建目标和未来用途不完全一致。

这个反例同样提醒我们理解深层重建:低像素误差是一个有意义的成绩,却不是所有语义任务的替代指标。需要另外检验表示能否支持类别、颜色或空间读出。

学习信号与表示限制可见信息,怎样构成可验证的重建任务?

平方误差为什么偏好可能模糊的平均值

固定可见条件,让隐藏值有0和1两种等可能答案,再比较三个确定预测。

为什么缺失处可能被补得模糊?

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假设可见条件完全相同,而某个隐藏像素等概率为0或1。总输出0时,平均平方误差是0.5;总输出1也为0.5;输出0.5时,两种情况误差都是0.25,因此平均更小。

一般地,平方损失的最佳确定性预测是给定可见输入的条件均值。存在多种合理补全时,均值可能看起来模糊,即使模型已很好地优化这项损失。这与“完全没学到结构”不是同一个判断。

LAB 08里应把恢复的主要笔画、错误补全和误差图一起读。到第四讲再问:如果我们希望产生某一种合理样本,而不是平均多个可能,训练目标和输出过程应怎样改变?图像描述也已在生成文本,后续生成课将把条件多解作为更一般的问题。

学习信号与表示表示学习的选读问题

选读:结构和重建目标需要共同检验

比较ConvNeXt V1/V2与监督/FCMAE两列,先保留训练预算和证据范围。

选读:结构与遮挡目标为什么要共同设计

独立阅读

把原MAE目标直接搬到卷积网络,并不意味着所有结构假设仍成立。ConvNeXt V2将遮挡图看成稀疏空间输入,用FCMAE组织学习,并引入GRN改善通道响应的多样性。这提供了一个正面研究例子:目标与网络结构可以一起设计。

原论文Table 3的Base比较(ImageNet-1K top-1,%):

架构 监督训练 FCMAE预训练后微调
V1-Base 83.8 83.7
V2-Base 84.3 84.6

FCMAE列先预训练800轮再微调,不能称等总预算。V1中换目标为−0.1,V2中为+0.3;这提示组合值得研究,却不能仅凭四个数识别一个严格因果交互。这里是论文证据,和LAB05的patch词典拟合不是同一实验。读完回到P22的用途评价,不再另开主讲章节。

沿这个问题继续

CLS 05提供连续推导;想做最透明优化选LAB 05,想做图像模型选LAB 08,二选一即可。

按问题回查的讲解与短练习(1)