We propose a novel approach to image classification inspired by complex nonlinear biological visual processing, whereby classical convolutional neural networks (CNNs) are equipped with learnable higher-order convolutions. Our model incorporates a Volterra-like expansion of the convolution operator, capturing multiplicative interactions akin to those observed in early and advanced stages of biological visual processing. We evaluated this approach on synthetic datasets by measuring sensitivity to testing higher-order correlations and performance in standard benchmarks (MNIST, FashionMNIST, CIFAR10, CIFAR100 and Imagenette). Our architecture outperforms traditional CNN baselines, and achieves optimal performance with expansions up to 3rd/4th order, aligning remarkably well with the distribution of pixel intensities in natural images. Through systematic perturbation analysis, we validate this alignment by isolating the contributions of specific image statistics to model performance, demonstrating how different orders of convolution process distinct aspects of visual information. Furthermore, Representational Similarity Analysis reveals distinct geometries across network layers, indicating qualitatively different modes of visual information processing. Our work bridges neuroscience and deep learning, offering a path towards more effective, biologically inspired computer vision models. It provides insights into visual information processing and lays the groundwork for neural networks that better capture complex visual patterns, particularly in resource-constrained scenarios.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

Processing 是一门开源编程语言和与之配套的集成开发环境(IDE)的名称。Processing 在电子艺术和视觉设计社区被用来教授编程基础,并运用于大量的新媒体和互动艺术作品中。
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
163+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
CVE-2018-7600 - Drupal 7.x 远程代码执行exp
黑客工具箱
14+阅读 · 2018年4月17日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
18+阅读 · 2021年3月16日
A survey on deep hashing for image retrieval
Arxiv
15+阅读 · 2020年6月10日
VIP会员
相关资讯
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
CVE-2018-7600 - Drupal 7.x 远程代码执行exp
黑客工具箱
14+阅读 · 2018年4月17日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员