带你换个角度理解图卷积网络

摘要：本文带大家从另一个角度来理解和认识图卷积网络的概念。

本文分享自华为云社区《技术综述十二：图网络的基本概念》，原文作者：一笑倾城。

基础概念

笔者认为，图的核心思想是学习一个函数映射f(.)f(.)，借助该映射，图中的节点可以聚合自己的特征与邻居节点的特征，从而生成该节点的新特征表示。

Figure 1. 图的一般推理过程[1]

图神经网络 Vs. 卷积神经网络

如图2所示，卷积神经网络的输入数据一般是规则的矩阵类型数据，例如图片。每个节点和其它节点的空间关系是固定的。而图神经网络的输入数据一般表现为不规则的拓扑结构，节点与节点的关系非常复杂，节点间的空间关系一般不做约束，节点间是否存在连接以及连接的数量不做约束。复杂的网络还涉及到连接的方向和子图等概念。

Figure 2. 图网络和卷积网络[1]

如图3所示，如果将图的每个节点等价视为图像中的每个像素，其实，图的工作过程可以类比CV中的经典问题：semantic segmentation。

Figure 3. semantic segmentation[2]

图的基础组件及其实现

图在工作过程中，主要需要处理的问题有两个，一个是节点信息的提炼方式；另一个是邻近节点的搜索方式。整理如下：

邻近节点的搜索方式:

• 每个节点考虑全部其它节点
• 基于欧氏距离，只搜索近邻N个节点

节点信息的提炼方式:

• MLP+Max Pooling直接进行特征融合
• 基于attention，对周边节点进行加权平均

1. 普通attention
2. Self-attention (Bert/Transformer)

其中，邻近节点的搜索方式有两种，基于Bert作为图卷积网络的方案，一般是全部节点统一输入，每个节点在进行self-attention时，统一考虑其它节点，因此，可以视为全局搜索，典型的样例是LayoutLM。而基于某种距离度量搜索邻近的节点的方式， 一般来说更加注重局部信息。可以依据特定任务进行一些定制化的距离设计。缺点是过于注重局部信息，不能让图网络充分发挥能力。

另一方面是节点信息的提炼方式，简单的方法就是直接对相邻节点做1 imes11×1卷积，再进行max pooling。目前更流行的方法是基于attention，普通attention，如图4所示，输入特征一般由中心节点特征t_iti​和相邻节点t_jtj​，以及彼此的距离等信息拼接而成，考虑周围32个节点，则生成32个特征，并在此基础上计算权重向量alpha_iαi​，得到这32个特征向量的权重，再进行加权和，得到节点ii的新特征表达t'_iti′​。基于self-attention的方法工作机制类似。

Figure 4. 图节点信息的提炼过程

总结

最后，图卷积和卷积之间的一些对比整理在图5中。我们可以观察到一些有趣的现象，其实在卷积网络中，也有邻近节点搜索方式的一些工作，例如空洞卷积和可变形卷积。

Figure 5. 图网络和卷积网络工作方式比较

参考文献：

[1] Wu, Zonghan, et al. “A comprehensive survey on graph neural networks.” IEEE transactions on neural networks and learning systems (2020).

[2] Long, Jonathan, Evan Shelhamer, and Trevor Darrell. “Fully convolutional networks for semantic segmentation.” Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2015.

 

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