卷积神经网络数学原理

① 卷积神经网络工作原理直观的解释

其实道理很简单，因为卷积运算，从频域角度看，是频谱相乘所以图像跟卷积核做卷积时，两者频谱不重叠的部分相乘，自然是0，那图像这部分频率的信息就被卷积核过滤了。而图像，本质上就是二维离散的信号，像素点值的大小代表该位置的振幅，所以图像包含了一系列频率的特征。比如图像边缘部分，像素值差别大，属于高频信号，背景部分，像素值差别小，是低频信号。所以如果卷积核具有『高通』性质，就能起到提取图像边缘的作用，低通则有模糊的效果。所以，卷积神经网络的牛逼之处在于通过卷积层的不同卷积核，提取图像不同频段的特征；以及通过池化层，提取不同粒度的特征。

② 卷积神经网络算法是什么

一维构筑、二维构筑、全卷积构筑。

卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN）是一类包含卷积计算且具有深度结构的前馈神经网络（Feedforward Neural Networks），是深度学习（deep learning）的代表算法之一。

卷积神经网络具有表征学习（representation learning）能力，能够按其阶层结构对输入信息进行平移不变分类（shift-invariant classification），因此也被称为“平移不变人工神经网络（Shift-Invariant Artificial Neural Networks, SIANN）”。

卷积神经网络的连接性：

卷积神经网络中卷积层间的连接被称为稀疏连接（sparse connection），即相比于前馈神经网络中的全连接，卷积层中的神经元仅与其相邻层的部分，而非全部神经元相连。具体地，卷积神经网络第l层特征图中的任意一个像素（神经元）都仅是l-1层中卷积核所定义的感受野内的像素的线性组合。

卷积神经网络的稀疏连接具有正则化的效果，提高了网络结构的稳定性和泛化能力，避免过度拟合，同时，稀疏连接减少了权重参数的总量，有利于神经网络的快速学习，和在计算时减少内存开销。

卷积神经网络中特征图同一通道内的所有像素共享一组卷积核权重系数，该性质被称为权重共享（weight sharing）。权重共享将卷积神经网络和其它包含局部连接结构的神经网络相区分，后者虽然使用了稀疏连接，但不同连接的权重是不同的。权重共享和稀疏连接一样，减少了卷积神经网络的参数总量，并具有正则化的效果。

在全连接网络视角下，卷积神经网络的稀疏连接和权重共享可以被视为两个无限强的先验（pirior），即一个隐含层神经元在其感受野之外的所有权重系数恒为0（但感受野可以在空间移动）；且在一个通道内，所有神经元的权重系数相同。

③ 神经网络：卷积神经网络（CNN）

神经网络 最早是由心理学家和神经学家提出的，旨在寻求开发和测试神经的计算模拟。

粗略地说， 神经网络 是一组连接的 输入/输出单元 ，其中每个连接都与一个 权 相关联。在学习阶段，通过调整权值，使得神经网络的预测准确性逐步提高。由于单元之间的连接，神经网络学习又称 连接者学习。

神经网络是以模拟人脑神经元的数学模型为基础而建立的，它由一系列神经元组成，单元之间彼此连接。从信息处理角度看，神经元可以看作是一个多输入单输出的信息处理单元，根据神经元的特性和功能，可以把神经元抽象成一个简单的数学模型。

神经网络有三个要素： 拓扑结构、连接方式、学习规则

神经网络的拓扑结构 ：神经网络的单元通常按照层次排列，根据网络的层次数，可以将神经网络分为单层神经网络、两层神经网络、三层神经网络等。结构简单的神经网络，在学习时收敛的速度快，但准确度低。

神经网络的层数和每层的单元数由问题的复杂程度而定。问题越复杂，神经网络的层数就越多。例如，两层神经网络常用来解决线性问题，而多层网络就可以解决多元非线性问题

神经网络的连接 ：包括层次之间的连接和每一层内部的连接，连接的强度用权来表示。

根据层次之间的连接方式，分为：

1）前馈式网络：连接是单向的，上层单元的输出是下层单元的输入，如反向传播网络，Kohonen网络

2）反馈式网络：除了单项的连接外，还把最后一层单元的输出作为第一层单元的输入，如Hopfield网络

根据连接的范围，分为：

1）全连接神经网络：每个单元和相邻层上的所有单元相连

2）局部连接网络：每个单元只和相邻层上的部分单元相连

神经网络的学习

根据学习方法分：

感知器：有监督的学习方法，训练样本的类别是已知的，并在学习的过程中指导模型的训练

认知器：无监督的学习方法，训练样本类别未知，各单元通过竞争学习。

根据学习时间分：

离线网络：学习过程和使用过程是独立的

在线网络：学习过程和使用过程是同时进行的

根据学习规则分：

相关学习网络：根据连接间的激活水平改变权系数

纠错学习网络：根据输出单元的外部反馈改变权系数

自组织学习网络：对输入进行自适应地学习

摘自《数学之美》对人工神经网络的通俗理解：

神经网络种类很多，常用的有如下四种：

1）Hopfield网络，典型的反馈网络，结构单层，有相同的单元组成

2）反向传播网络，前馈网络，结构多层，采用最小均方差的纠错学习规则，常用于语言识别和分类等问题

3）Kohonen网络：典型的自组织网络，由输入层和输出层构成，全连接

4）ART网络：自组织网络

深度神经网络：

Convolutional Neural Networks(CNN)卷积神经网络

Recurrent neural Network(RNN)循环神经网络

Deep Belief Networks(DBN)深度信念网络

深度学习是指多层神经网络上运用各种机器学习算法解决图像，文本等各种问题的算法集合。深度学习从大类上可以归入神经网络，不过在具体实现上有许多变化。

深度学习的核心是特征学习，旨在通过分层网络获取分层次的特征信息，从而解决以往需要人工设计特征的重要难题。

Machine Learning vs. Deep Learning 

神经网络（主要是感知器）经常用于 分类

神经网络的分类知识体现在网络连接上，被隐式地存储在连接的权值中。

神经网络的学习就是通过迭代算法，对权值逐步修改的优化过程，学习的目标就是通过改变权值使训练集的样本都能被正确分类。

神经网络特别适用于下列情况的分类问题：

1) 数据量比较小，缺少足够的样本建立模型

2) 数据的结构难以用传统的统计方法来描述

3) 分类模型难以表示为传统的统计模型

缺点：

1) 需要很长的训练时间，因而对于有足够长训练时间的应用更合适。

2) 需要大量的参数，这些通常主要靠经验确定，如网络拓扑或“结构”。

3)  可解释性差 。该特点使得神经网络在数据挖掘的初期并不看好。

优点：

1) 分类的准确度高

2)并行分布处理能力强

3)分布存储及学习能力高

4)对噪音数据有很强的鲁棒性和容错能力

最流行的基于神经网络的分类算法是80年代提出的 后向传播算法 。后向传播算法在多路前馈神经网络上学习。 

定义网络拓扑

在开始训练之前，用户必须说明输入层的单元数、隐藏层数（如果多于一层）、每一隐藏层的单元数和输出层的单元数，以确定网络拓扑。

对训练样本中每个属性的值进行规格化将有助于加快学习过程。通常，对输入值规格化，使得它们落入0.0和1.0之间。

离散值属性可以重新编码，使得每个域值一个输入单元。例如，如果属性A的定义域为(a0,a1,a2)，则可以分配三个输入单元表示A。即，我们可以用I0 ,I1 ,I2作为输入单元。每个单元初始化为0。如果A = a0，则I0置为1；如果A = a1，I1置1；如此下去。

一个输出单元可以用来表示两个类（值1代表一个类，而值0代表另一个）。如果多于两个类，则每个类使用一个输出单元。

隐藏层单元数设多少个“最好” ，没有明确的规则。

网络设计是一个实验过程，并可能影响准确性。权的初值也可能影响准确性。如果某个经过训练的网络的准确率太低，则通常需要采用不同的网络拓扑或使用不同的初始权值，重复进行训练。

后向传播算法学习过程：

迭代地处理一组训练样本，将每个样本的网络预测与实际的类标号比较。

每次迭代后，修改权值，使得网络预测和实际类之间的均方差最小。

这种修改“后向”进行。即，由输出层，经由每个隐藏层，到第一个隐藏层（因此称作后向传播）。尽管不能保证，一般地，权将最终收敛，学习过程停止。

算法终止条件：训练集中被正确分类的样本达到一定的比例，或者权系数趋近稳定。

后向传播算法分为如下几步：

1) 初始化权

网络的权通常被初始化为很小的随机数（例如，范围从-1.0到1.0，或从-0.5到0.5）。

每个单元都设有一个偏置（bias），偏置也被初始化为小随机数。

2) 向前传播输入

对于每一个样本X，重复下面两步：

向前传播输入，向后传播误差

计算各层每个单元的输入和输出。输入层：输出=输入=样本X的属性；即，对于单元j，Oj = Ij = Xj。隐藏层和输出层：输入=前一层的输出的线性组合,即，对于单元j， Ij =wij Oi + θj，输出=

3) 向后传播误差

计算各层每个单元的误差。

输出层单元j，误差：

Oj是单元j的实际输出，而Tj是j的真正输出。

隐藏层单元j，误差：

wjk是由j到下一层中单元k的连接的权，Errk是单元k的误差

更新 权 和 偏差 ，以反映传播的误差。

权由下式更新：

 其中，△wij是权wij的改变。l是学习率，通常取0和1之间的值。

 偏置由下式更新：

  其中，△θj是偏置θj的改变。

Example

人类视觉原理：

深度学习的许多研究成果，离不开对大脑认知原理的研究，尤其是视觉原理的研究。1981 年的诺贝尔医学奖，颁发给了 David Hubel（出生于加拿大的美国神经生物学家） 和Torsten Wiesel，以及Roger Sperry。前两位的主要贡献，是“发现了视觉系统的信息处理”， 可视皮层是分级的 。

人类的视觉原理如下：从原始信号摄入开始（瞳孔摄入像素Pixels），接着做初步处理（大脑皮层某些细胞发现边缘和方向），然后抽象（大脑判定，眼前的物体的形状，是圆形的），然后进一步抽象（大脑进一步判定该物体是只气球）。

对于不同的物体，人类视觉也是通过这样逐层分级，来进行认知的：

在最底层特征基本上是类似的，就是各种边缘，越往上，越能提取出此类物体的一些特征（轮子、眼睛、躯干等），到最上层，不同的高级特征最终组合成相应的图像，从而能够让人类准确的区分不同的物体。

可以很自然的想到：可以不可以模仿人类大脑的这个特点，构造多层的神经网络，较低层的识别初级的图像特征，若干底层特征组成更上一层特征，最终通过多个层级的组合，最终在顶层做出分类呢？答案是肯定的，这也是许多深度学习算法（包括CNN）的灵感来源。

卷积神经网络是一种多层神经网络，擅长处理图像特别是大图像的相关机器学习问题。卷积网络通过一系列方法，成功将数据量庞大的图像识别问题不断降维，最终使其能够被训练。

CNN最早由Yann LeCun提出并应用在手写字体识别上。LeCun提出的网络称为LeNet，其网络结构如下：

这是一个最典型的卷积网络，由 卷积层、池化层、全连接层 组成。其中卷积层与池化层配合，组成多个卷积组，逐层提取特征，最终通过若干个全连接层完成分类。

CNN通过卷积来模拟特征区分，并且通过卷积的权值共享及池化，来降低网络参数的数量级，最后通过传统神经网络完成分类等任务。

降低参数量级：如果使用传统神经网络方式，对一张图片进行分类，那么，把图片的每个像素都连接到隐藏层节点上，对于一张1000x1000像素的图片，如果有1M隐藏层单元，一共有10^12个参数，这显然是不能接受的。

但是在CNN里，可以大大减少参数个数，基于以下两个假设：

1）最底层特征都是局部性的，也就是说，用10x10这样大小的过滤器就能表示边缘等底层特征

2）图像上不同小片段，以及不同图像上的小片段的特征是类似的，也就是说，能用同样的一组分类器来描述各种各样不同的图像

基于以上两个假设，就能把第一层网络结构简化

用100个10x10的小过滤器，就能够描述整幅图片上的底层特征。

卷积运算的定义如下图所示：

如上图所示，一个5x5的图像，用一个3x3的 卷积核 ：

   101

   010

   101

来对图像进行卷积操作（可以理解为有一个滑动窗口，把卷积核与对应的图像像素做乘积然后求和），得到了3x3的卷积结果。

这个过程可以理解为使用一个过滤器（卷积核）来过滤图像的各个小区域，从而得到这些小区域的特征值。在实际训练过程中， 卷积核的值是在学习过程中学到的。

在具体应用中，往往有多个卷积核，可以认为， 每个卷积核代表了一种图像模式 ，如果某个图像块与此卷积核卷积出的值大，则认为此图像块十分接近于此卷积核。如果设计了6个卷积核，可以理解为这个图像上有6种底层纹理模式，也就是用6种基础模式就能描绘出一副图像。以下就是24种不同的卷积核的示例：

池化 的过程如下图所示：

可以看到，原始图片是20x20的，对其进行采样，采样窗口为10x10，最终将其采样成为一个2x2大小的特征图。

之所以这么做，是因为即使做完了卷积，图像仍然很大（因为卷积核比较小），所以为了降低数据维度，就进行采样。

即使减少了许多数据，特征的统计属性仍能够描述图像，而且由于降低了数据维度，有效地避免了过拟合。

在实际应用中，分为最大值采样（Max-Pooling）与平均值采样（Mean-Pooling）。

LeNet网络结构：

注意，上图中S2与C3的连接方式并不是全连接，而是部分连接。最后，通过全连接层C5、F6得到10个输出，对应10个数字的概率。

卷积神经网络的训练过程与传统神经网络类似，也是参照了反向传播算法

第一阶段，向前传播阶段：

a）从样本集中取一个样本(X,Yp)，将X输入网络；

b）计算相应的实际输出Op

第二阶段，向后传播阶段

a）计算实际输出Op与相应的理想输出Yp的差；

b）按极小化误差的方法反向传播调整权矩阵。

④ 卷积神经网络通俗理解

卷积神经网络通俗理解如下：

卷积神经网络(CNN)-结构

① CNN结构一般包含这几个层：

• 输入层：用于数据的输入

• 卷积层：使用卷积核进行特征提取和特征映射

• 激励层：由于卷积也是一种线性运算，因此需要增加非线性映射

• 池化层：进行下采样，对特征图稀疏处理，减少数据运算量。

• 全连接层：通常在CNN的尾部进行重新拟合，减少特征信息的损失

• 输出层：用于输出结果

② 中间还可以使用一些其他的功能层：

• 归一化层（Batch Normalization）：在CNN中对特征的归一化

• 切分层：对某些（图片）数据的进行分区域的单独学习

• 融合层：对独立进行特征学习的分支进行融合

• 

卷积神经网络(CNN)-输入层

① CNN的输入层的输入格式保留了图片本身的结构。

② 对于黑白的 28×28的图片，CNN 的输入是一个 28×28 的二维神经元。

③ 对于 RGB 格式的 28×28 图片，CNN 的输入则是一个3×28×28 的三维神经元（RGB中的每一个颜色通道都有一个 28×28 的矩阵）


2）卷积神经网络(CNN)-卷积层

1. 感受视野

① 在卷积层中有几个重要的概念：

• local receptive fields（感受视野）

• shared weights（共享权值）

② 假设输入的是一个 28×28 的的二维神经元，我们定义 5×5 的 一个 local receptive fields（感受视野），即 隐藏层的神经元与输入层的 5×5 个神经元相连，这个 5*5 的区域就称之为 Local Receptive Fields，

⑤ 卷积神经网络

关于花书中卷积网络的笔记记录于 https://www.jianshu.com/p/5a3c90ea0807 。

卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN或ConvNet）是一种具有 局部连接、权重共享 等特性的深层前馈神经网络。卷积神经网络是受生物学上感受野的机制而提出。 感受野（Receptive Field） 主要是指听觉、视觉等神经系统中一些神经元的特性，即 神经元只接受其所支配的刺激区域内的信号 。

卷积神经网络最早是主要用来处理图像信息。如果用全连接前馈网络来处理图像时，会存在以下两个问题：

目前的卷积神经网络一般是由卷积层、汇聚层和全连接层交叉堆叠而成的前馈神经网络，使用反向传播算法进行训练。 卷积神经网络有三个结构上的特性：局部连接，权重共享以及汇聚 。这些特性使卷积神经网络具有一定程度上的平移、缩放和旋转不变性。

卷积（Convolution）是分析数学中一种重要的运算。在信号处理或图像处理中，经常使用一维或二维卷积。

一维卷积经常用在信号处理中，用于计算信号的延迟累积。假设一个信号发生器每个时刻t 产生一个信号 ，其信息的衰减率为 ，即在 个时间步长后，信息为原来的 倍。假设 ，那么在时刻t收到的信号 为当前时刻产生的信息和以前时刻延迟信息的叠加：

我们把 称为 滤波器（Filter）或卷积核（Convolution Kernel） 。假设滤波器长度为 ，它和一个信号序列 的卷积为：

信号序列 和滤波器 的卷积定义为：

一般情况下滤波器的长度 远小于信号序列长度 ，下图给出一个一维卷积示例，滤波器为 ：

二维卷积经常用在图像处理中。因为图像为一个两维结构，所以需要将一维卷积进行扩展。给定一个图像 和滤波器 ，其卷积为：

下图给出一个二维卷积示例：

注意这里的卷积运算并不是在图像中框定卷积核大小的方框并将各像素值与卷积核各个元素相乘并加和，而是先把卷积核旋转180度，再做上述运算。

在图像处理中，卷积经常作为特征提取的有效方法。一幅图像在经过卷积操作后得到结果称为 特征映射（Feature Map） 。

最上面的滤波器是常用的高斯滤波器，可以用来对图像进行 平滑去噪 ；中间和最下面的过滤器可以用来 提取边缘特征 。

在机器学习和图像处理领域，卷积的主要功能是在一个图像（或某种特征）上滑动一个卷积核（即滤波器），通过卷积操作得到一组新的特征。在计算卷积的过程中，需要进行卷积核翻转（即上文提到的旋转180度）。 在具体实现上，一般会以互相关操作来代替卷积，从而会减少一些不必要的操作或开销。

互相关（Cross-Correlation）是一个衡量两个序列相关性的函数，通常是用滑动窗口的点积计算来实现 。给定一个图像 和卷积核 ，它们的互相关为：

互相关和卷积的区别仅在于卷积核是否进行翻转。因此互相关也可以称为不翻转卷积 。当卷积核是可学习的参数时，卷积和互相关是等价的。因此，为了实现上（或描述上）的方便起见，我们用互相关来代替卷积。事实上，很多深度学习工具中卷积操作其实都是互相关操作。

在卷积的标准定义基础上，还可以引入滤波器的 滑动步长 和 零填充 来增加卷积多样性，更灵活地进行特征抽取。

滤波器的步长（Stride）是指滤波器在滑动时的时间间隔。

零填充（Zero Padding）是在输入向量两端进行补零。

假设卷积层的输入神经元个数为 ，卷积大小为 ，步长为 ，神经元两端各填补 个零，那么该卷积层的神经元数量为 。

一般常用的卷积有以下三类：

因为卷积网络的训练也是基于反向传播算法，因此我们重点关注卷积的导数性质：

假设 。

， ， 。函数 为一个标量函数。

则由 有：

可以看出， 关于 的偏导数为 和 的卷积 ：

同理得到：

当 或 时， ，即相当于对 进行 的零填充。从而 关于 的偏导数为 和 的宽卷积 。

用互相关的“卷积”表示，即为（注意 宽卷积运算具有交换性性质 ）：

在全连接前馈神经网络中，如果第 层有 个神经元，第 层有 个神经元，连接边有 个，也就是权重矩阵有 个参数。当 和 都很大时，权重矩阵的参数非常多，训练的效率会非常低。

如果采用卷积来代替全连接，第 层的净输入 为第 层活性值 和滤波器 的卷积，即：

根据卷积的定义，卷积层有两个很重要的性质：

由于局部连接和权重共享，卷积层的参数只有一个m维的权重 和1维的偏置 ，共 个参数。参数个数和神经元的数量无关。此外，第 层的神经元个数不是任意选择的，而是满足 。

卷积层的作用是提取一个局部区域的特征，不同的卷积核相当于不同的特征提取器。

特征映射（Feature Map）为一幅图像（或其它特征映射）在经过卷积提取到的特征，每个特征映射可以作为一类抽取的图像特征。 为了提高卷积网络的表示能力，可以在每一层使用多个不同的特征映射，以更好地表示图像的特征。

在输入层，特征映射就是图像本身。如果是灰度图像，就是有一个特征映射，深度 ；如果是彩色图像，分别有RGB三个颜色通道的特征映射，深度 。

不失一般性，假设一个卷积层的结构如下：

为了计算输出特征映射 ，用卷积核 分别对输入特征映射 进行卷积，然后将卷积结果相加，并加上一个标量偏置 得到卷积层的净输入 再经过非线性激活函数后得到输出特征映射 。

在输入为 ，输出为 的卷积层中，每个输出特征映射都需要 个滤波器以及一个偏置。假设每个滤波器的大小为 ，那么共需要 个参数。

汇聚层（Pooling Layer）也叫子采样层（Subsampling Layer），其作用是进行特征选择，降低特征数量，并从而减少参数数量。

常用的汇聚函数有两种：

其中 为区域 内每个神经元的激活值。

可以看出，汇聚层不但可以有效地减少神经元的数量，还可以使得网络对一些小的局部形态改变保持不变性，并拥有更大的感受野。

典型的汇聚层是将每个特征映射划分为 大小的不重叠区域，然后使用最大汇聚的方式进行下采样。汇聚层也可以看做是一个特殊的卷积层，卷积核大小为 ，步长为 ，卷积核为 函数或 函数。过大的采样区域会急剧减少神经元的数量，会造成过多的信息损失。

一个典型的卷积网络是由卷积层、汇聚层、全连接层交叉堆叠而成。

目前常用卷积网络结构如图所示，一个卷积块为连续 个卷积层和 个汇聚层（ 通常设置为 ， 为 或 ）。一个卷积网络中可以堆叠 个连续的卷积块，然后在后面接着 个全连接层（ 的取值区间比较大，比如 或者更大； 一般为 ）。

目前，整个网络结构 趋向于使用更小的卷积核（比如 和 ）以及更深的结构（比如层数大于50） 。此外，由于卷积的操作性越来越灵活（比如不同的步长），汇聚层的作用变得也越来越小，因此目前比较流行的卷积网络中， 汇聚层的比例也逐渐降低，趋向于全卷积网络 。

在全连接前馈神经网络中，梯度主要通过每一层的误差项 进行反向传播，并进一步计算每层参数的梯度。在卷积神经网络中，主要有两种不同功能的神经层：卷积层和汇聚层。而参数为卷积核以及偏置，因此 只需要计算卷积层中参数的梯度。

不失一般性，第 层为卷积层，第 层的输入特征映射为 ，通过卷积计算得到第 层的特征映射净输入 ，第 层的第 个特征映射净输入

由 得：

同理可得，损失函数关于第 层的第 个偏置 的偏导数为：

在卷积网络中，每层参数的梯度依赖其所在层的误差项 。

卷积层和汇聚层中，误差项的计算有所不同，因此我们分别计算其误差项。

第 层的第 个特征映射的误差项 的具体推导过程如下：

其中 为第 层使用的激活函数导数， 为上采样函数（upsampling），与汇聚层中使用的下采样操作刚好相反。如果下采样是最大汇聚（max pooling），误差项 中每个值会直接传递到上一层对应区域中的最大值所对应的神经元，该区域中其它神经元的误差项的都设为0。如果下采样是平均汇聚（meanpooling），误差项 中每个值会被平均分配到上一层对应区域中的所有神经元上。

第 层的第 个特征映射的误差项 的具体推导过程如下：

其中 为宽卷积。

LeNet-5虽然提出的时间比较早，但是是一个非常成功的神经网络模型。基于LeNet-5 的手写数字识别系统在90年代被美国很多银行使用，用来识别支票上面的手写数字。LeNet-5 的网络结构如图：

不计输入层，LeNet-5共有7层，每一层的结构为：

AlexNet是第一个现代深度卷积网络模型，其首次使用了很多现代深度卷积网络的一些技术方法，比如采用了ReLU作为非线性激活函数，使用Dropout防止过拟合，使用数据增强来提高模型准确率等。AlexNet 赢得了2012 年ImageNet 图像分类竞赛的冠军。

AlexNet的结构如图，包括5个卷积层、3个全连接层和1个softmax层。因为网络规模超出了当时的单个GPU的内存限制，AlexNet 将网络拆为两半，分别放在两个GPU上，GPU间只在某些层（比如第3层）进行通讯。

AlexNet的具体结构如下：

在卷积网络中，如何设置卷积层的卷积核大小是一个十分关键的问题。 在Inception网络中，一个卷积层包含多个不同大小的卷积操作，称为Inception模块。Inception网络是由有多个inception模块和少量的汇聚层堆叠而成 。

v1版本的Inception模块，采用了4组平行的特征抽取方式，分别为1×1、3× 3、5×5的卷积和3×3的最大汇聚。同时，为了提高计算效率，减少参数数量，Inception模块在进行3×3、5×5的卷积之前、3×3的最大汇聚之后，进行一次1×1的卷积来减少特征映射的深度。如果输入特征映射之间存在冗余信息， 1×1的卷积相当于先进行一次特征抽取 。

⑥ 图卷积神经网络的数学原理详解——笔记（更新中）

Image是Graph在欧式空间中的一种特例。Graph是相较于Image来说更加广义的一种拓扑结构。Graph由点和边组成它可以表示任意的事物与事物之间的关系。而Image是表示在欧式空间中的事物与事物之间的关系。我们可以根据Image来构建对应的Graph，将每一个像素作为节点，像素之间的关系作为边。

现实生活中能够建图的场景非常之多，社交关系，词汇搜索等等。

图神经网络就是专门用来处理图数据的神经网络架构。具体来说，会给定图的每个邻接矩阵和节点特征，通过将这两个输入进行某种图上的映射。从而得到每个节点下一层的特征。

图神经网络的聚合模式：

合理性：比如社交网络中我们想要获得某一个用户的特征，可以搜集与他相近的人的特征，他们会具有一定的相关性。（近朱者赤，近墨者黑）

许多GNN相关的模型其实都是在设计函数“ f ”

这里我们只讨论简单无向图（图无自环、无重边，边无方向）

公式中的 是邻接矩阵+单位矩阵，相当于给每一个节点添加一个自环。 是对角阵+单位阵。表示添加自环后每一个节点的度值。 代表了每一个节点的度的值。对于对角阵求幂，只要对对角线上的每一个元素求幂即可。

是可训练的参数，是对输入的feature进行线性变换。 是非线性的激活函数。

简单理解GCN在做什么：对图的邻接矩阵加了一个自环，做了对称归一化。然后用得到的结果对输入的特征进行聚合。每个节点都聚合到了自己和周边节点加权求和的feature信息。

研究与图的邻接矩阵相关的一些性质的领域。将线性代数研究矩阵性质限定在了研究图的邻接矩阵的范围内。谱图理论是线性代数的子领域。

对于一个矩阵 ，如果有 其中 为标量、 。就称 是 的特征向量， 是A的特征值。

如果一个矩阵是一个实对称阵，那么它一定有N个特征值，对应着N个互相正交的特征向量。

，其中 ， 除了对角线上以外其他元素都是0。对角线上的元素都是一个特征值。

半正定矩阵就是所有的特征值都大于等于0。

给定一个矩阵A，左乘x转置，右乘x。 就称为向量x对矩阵A的二次型。

瑞利熵就是一个向量关于矩阵A的二次型与这个向量关于单位矩阵的二次型的比值 。

为什么需要研究瑞利熵：因为其与矩阵的特征值有着密切的联系。如我们假定 是矩阵A的一个特征向量，那么瑞利熵就是矩阵对应的特征值。

因此瑞利熵是我们研究特征值的重要手段。

是图的拉普拉斯矩阵， 。

是拉普拉斯矩阵的对称规范化， 。

与 都是实对称阵。因此他们都有N个特征值和N个互相正交的特征向量。可以分解为上述的 的形式。且这两个矩阵都是半正定的，其特征值都是大于等于0的。

一个更加强的性质： 不仅 而且 。

由上述证明我们得出 的瑞利熵是 的。因此 的特征值也是恒 的。

傅里叶变换其实就是“去研究同一个事物在不同的域之间不同的视角”是怎样的，以及在不同的域之间进行变换。

⑦ 一文看懂卷积神经网络-CNN（基本原理+独特价值+实际应用）

在 CNN 出现之前，图像对于人工智能来说是一个难题，有2个原因：

图像需要处理的数据量太大，导致成本很高，效率很低

图像在数字化的过程中很难保留原有的特征，导致图像处理的准确率不高

下面就详细说明一下这2个问题：

图像是由像素构成的，每个像素又是由颜色构成的。

现在随随便便一张图片都是 1000×1000 像素以上的， 每个像素都有RGB 3个参数来表示颜色信息。

假如我们处理一张 1000×1000 像素的图片，我们就需要处理3百万个参数！

1000×1000×3=3,000,000

这么大量的数据处理起来是非常消耗资源的，而且这只是一张不算太大的图片！

卷积神经网络 – CNN 解决的第一个问题就是「将复杂问题简化」，把大量参数降维成少量参数，再做处理。

更重要的是：我们在大部分场景下，降维并不会影响结果。比如1000像素的图片缩小成200像素，并不影响肉眼认出来图片中是一只猫还是一只狗，机器也是如此。

图片数字化的传统方式我们简化一下，就类似下图的过程：

假如有圆形是1，没有圆形是0，那么圆形的位置不同就会产生完全不同的数据表达。但是从视觉的角度来看， 图像的内容（本质）并没有发生变化，只是位置发生了变化 。

所以当我们移动图像中的物体，用传统的方式的得出来的参数会差异很大！这是不符合图像处理的要求的。

而 CNN 解决了这个问题，他用类似视觉的方式保留了图像的特征，当图像做翻转，旋转或者变换位置时，它也能有效的识别出来是类似的图像。

那么卷积神经网络是如何实现的呢？在我们了解 CNN 原理之前，先来看看人类的视觉原理是什么？

深度学习的许多研究成果，离不开对大脑认知原理的研究，尤其是视觉原理的研究。

1981 年的诺贝尔医学奖，颁发给了 David Hubel（出生于加拿大的美国神经生物学家） 和TorstenWiesel，以及 Roger Sperry。前两位的主要贡献，是“ 发现了视觉系统的信息处理 ”，可视皮层是分级的。

人类的视觉原理如下：从原始信号摄入开始（瞳孔摄入像素 Pixels），接着做初步处理（大脑皮层某些细胞发现边缘和方向），然后抽象（大脑判定，眼前的物体的形状，是圆形的），然后进一步抽象（大脑进一步判定该物体是只气球）。下面是人脑进行人脸识别的一个示例：

对于不同的物体，人类视觉也是通过这样逐层分级，来进行认知的：

我们可以看到，在最底层特征基本上是类似的，就是各种边缘，越往上，越能提取出此类物体的一些特征（轮子、眼睛、躯干等），到最上层，不同的高级特征最终组合成相应的图像，从而能够让人类准确的区分不同的物体。

那么我们可以很自然的想到：可以不可以模仿人类大脑的这个特点，构造多层的神经网络，较低层的识别初级的图像特征，若干底层特征组成更上一层特征，最终通过多个层级的组合，最终在顶层做出分类呢？

答案是肯定的，这也是许多深度学习算法（包括CNN）的灵感来源。

典型的 CNN 由3个部分构成：

卷积层

池化层

全连接层

如果简单来描述的话：

卷积层负责提取图像中的局部特征；池化层用来大幅降低参数量级(降维)；全连接层类似传统神经网络的部分，用来输出想要的结果。

下面的原理解释为了通俗易懂，忽略了很多技术细节，如果大家对详细的原理感兴趣，可以看这个视频《 卷积神经网络基础 》。

卷积层的运算过程如下图，用一个卷积核扫完整张图片：

这个过程我们可以理解为我们使用一个过滤器（卷积核）来过滤图像的各个小区域，从而得到这些小区域的特征值。

在具体应用中，往往有多个卷积核，可以认为，每个卷积核代表了一种图像模式，如果某个图像块与此卷积核卷积出的值大，则认为此图像块十分接近于此卷积核。如果我们设计了6个卷积核，可以理解：我们认为这个图像上有6种底层纹理模式，也就是我们用6中基础模式就能描绘出一副图像。以下就是25种不同的卷积核的示例：

总结：卷积层的通过卷积核的过滤提取出图片中局部的特征，跟上面提到的人类视觉的特征提取类似。

池化层简单说就是下采样，他可以大大降低数据的维度。其过程如下：

上图中，我们可以看到，原始图片是20×20的，我们对其进行下采样，采样窗口为10×10，最终将其下采样成为一个2×2大小的特征图。

之所以这么做的原因，是因为即使做完了卷积，图像仍然很大（因为卷积核比较小），所以为了降低数据维度，就进行下采样。

总结：池化层相比卷积层可以更有效的降低数据维度，这么做不但可以大大减少运算量，还可以有效的避免过拟合。

这个部分就是最后一步了，经过卷积层和池化层处理过的数据输入到全连接层，得到最终想要的结果。

经过卷积层和池化层降维过的数据，全连接层才能”跑得动”，不然数据量太大，计算成本高，效率低下。

典型的 CNN 并非只是上面提到的3层结构，而是多层结构，例如 LeNet-5 的结构就如下图所示：

卷积层 – 池化层- 卷积层 – 池化层 – 卷积层 – 全连接层

在了解了 CNN 的基本原理后，我们重点说一下 CNN 的实际应用有哪些。

卷积神经网络 – CNN 很擅长处理图像。而视频是图像的叠加，所以同样擅长处理视频内容。下面给大家列一些比较成熟的应用�：

图像分类、检索

图像分类是比较基础的应用，他可以节省大量的人工成本，将图像进行有效的分类。对于一些特定领域的图片，分类的准确率可以达到 95%+，已经算是一个可用性很高的应用了。

典型场景：图像搜索…

目标定位检测

可以在图像中定位目标，并确定目标的位置及大小。

典型场景：自动驾驶、安防、医疗…

目标分割

简单理解就是一个像素级的分类。

他可以对前景和背景进行像素级的区分、再高级一点还可以识别出目标并且对目标进行分类。

典型场景：美图秀秀、视频后期加工、图像生成…

人脸识别

人脸识别已经是一个非常普及的应用了，在很多领域都有广泛的应用。

典型场景：安防、金融、生活…

骨骼识别

骨骼识别是可以识别身体的关键骨骼，以及追踪骨骼的动作。

典型场景：安防、电影、图像视频生成、游戏…

今天我们介绍了 CNN 的价值、基本原理和应用场景，简单总结如下：

CNN 的价值：

能够将大数据量的图片有效的降维成小数据量(并不影响结果)

能够保留图片的特征，类似人类的视觉原理

CNN 的基本原理：

卷积层 – 主要作用是保留图片的特征

池化层 – 主要作用是把数据降维，可以有效的避免过拟合

全连接层 – 根据不同任务输出我们想要的结果

CNN 的实际应用：

图片分类、检索

目标定位检测

目标分割

人脸识别

骨骼识别

本文首发在 easyAI - 人工智能知识库

《 一文看懂卷积神经网络-CNN（基本原理+独特价值+实际应用） 》