Noise Optimization for Artificial Neural Networks
Creators
- 1. Peking University
- 2. Institute of Computing Technology
- 3. Chinese Academy of Sciences
Description
Adding noises to artificial neural network(ANN) has been shown to be able to improve robustness in previous work. In this work, we propose a new technique to compute the pathwise stochastic gradient estimate with respect to the standard deviation of the Gaussian noise added to each neuron of the ANN. By our proposed technique, the gradient estimate with respect to noise levels is a byproduct of the backpropagation algorithm for estimating gradient with respect to synaptic weights in ANN. Thus, the noise level for each neuron can be optimized simultaneously in the processing of training the synaptic weights at nearly no extra computational cost. In numerical experiments, our proposed method can achieve significant performance improvement on robustness of several popular ANN structures under both black box and white box attacks tested in various computer vision datasets.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
ثبت أن إضافة الضوضاء إلى الشبكة العصبية الاصطناعية (ANN) قادرة على تحسين المتانة في العمل السابق. في هذا العمل، نقترح تقنية جديدة لحساب تقدير التدرج العشوائي المسار فيما يتعلق بالانحراف المعياري للضوضاء الغاوسية المضافة إلى كل خلية عصبية من ANN. من خلال تقنيتنا المقترحة، فإن تقدير التدرج فيما يتعلق بمستويات الضوضاء هو نتيجة ثانوية لخوارزمية الانتشار العكسي لتقدير التدرج فيما يتعلق بالأوزان المتشابكة في ANN. وبالتالي، يمكن تحسين مستوى الضوضاء لكل خلية عصبية في وقت واحد في معالجة تدريب الأوزان المتشابكة دون أي تكلفة حسابية إضافية تقريبًا. في التجارب العددية، يمكن لطريقتنا المقترحة تحقيق تحسن كبير في الأداء على متانة العديد من هياكل ANN الشائعة تحت كل من هجمات الصندوق الأسود والصندوق الأبيض التي تم اختبارها في مجموعات بيانات رؤية الكمبيوتر المختلفة.Translated Description (French)
Il a été démontré que l'ajout de bruits au réseau neuronal artificiel (RNA) pouvait améliorer la robustesse dans des travaux antérieurs. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle technique pour calculer l'estimation du gradient stochastique par rapport à l'écart-type du bruit gaussien ajouté à chaque neurone de l'ANN. Par notre technique proposée, l'estimation du gradient par rapport aux niveaux de bruit est un sous-produit de l'algorithme de rétropropagation pour estimer le gradient par rapport aux poids synaptiques dans ANN. Ainsi, le niveau de bruit pour chaque neurone peut être optimisé simultanément dans le traitement de l'entraînement des poids synaptiques à presque aucun coût de calcul supplémentaire. Dans les expériences numériques, notre méthode proposée peut atteindre une amélioration significative des performances sur la robustesse de plusieurs structures ANN populaires sous des attaques de boîte noire et de boîte blanche testées dans divers ensembles de données de vision par ordinateur.Translated Description (Spanish)
Se ha demostrado que la adición de ruidos a la red neuronal artificial (ANN) puede mejorar la solidez en trabajos anteriores. En este trabajo, proponemos una nueva técnica para calcular la estimación del gradiente estocástico Pathwise con respecto a la desviación estándar del ruido gaussiano añadido a cada neurona de la ANN. Mediante nuestra técnica propuesta, la estimación del gradiente con respecto a los niveles de ruido es un subproducto del algoritmo de retropropagación para estimar el gradiente con respecto a los pesos sinápticos en ANN. Por lo tanto, el nivel de ruido para cada neurona se puede optimizar simultáneamente en el procesamiento de entrenamiento de los pesos sinápticos casi sin coste computacional adicional. En experimentos numéricos, nuestro método propuesto puede lograr una mejora significativa del rendimiento en la robustez de varias estructuras ANN populares bajo ataques de caja negra y caja blanca probados en varios conjuntos de datos de visión por ordenador.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحسين الضوضاء للشبكات العصبية الاصطناعية
- Translated title (French)
- Optimisation du bruit pour les réseaux de neurones artificiels
- Translated title (Spanish)
- Optimización de ruido para redes neuronales artificiales
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3127017755
- DOI
- 10.48550/arxiv.2102.04450
References
- https://openalex.org/W2055635846
- https://openalex.org/W2092868272
- https://openalex.org/W2130521152
- https://openalex.org/W2163605009
- https://openalex.org/W2263490141
- https://openalex.org/W2325939864
- https://openalex.org/W2342045095
- https://openalex.org/W2503523779
- https://openalex.org/W2551176409
- https://openalex.org/W2556882396
- https://openalex.org/W2603766943
- https://openalex.org/W2610190180
- https://openalex.org/W2626639386
- https://openalex.org/W2768346313
- https://openalex.org/W2774644650
- https://openalex.org/W2787618032
- https://openalex.org/W2787708942
- https://openalex.org/W2787733970
- https://openalex.org/W2799270168
- https://openalex.org/W2807007689
- https://openalex.org/W2902543210
- https://openalex.org/W2915002466
- https://openalex.org/W2918598147
- https://openalex.org/W2950172415
- https://openalex.org/W2960952165
- https://openalex.org/W2962182036
- https://openalex.org/W2962710014
- https://openalex.org/W2963060032
- https://openalex.org/W2963207607
- https://openalex.org/W2963564844
- https://openalex.org/W2963703360
- https://openalex.org/W2963744840
- https://openalex.org/W2964082701
- https://openalex.org/W2964153729
- https://openalex.org/W2964253222
- https://openalex.org/W2971018118
- https://openalex.org/W2979544394
- https://openalex.org/W2994088087
- https://openalex.org/W2995755899
- https://openalex.org/W2996955411
- https://openalex.org/W2997127238
- https://openalex.org/W2997532515
- https://openalex.org/W2997959679
- https://openalex.org/W3035590812
- https://openalex.org/W3082278101
- https://openalex.org/W3090943961
- https://openalex.org/W3103340107