卷積神經網路幾層是如何決定的

1. （7）卷積神經網路的基本結構

    卷積神經網路主要結構有：卷積層、池化層、和全連接層。通過堆疊這些層結構形成一個卷積神經網路。將原始圖像轉化為類別得分，其中卷積層和全連接層擁有參數，激活層和池化層沒有參數。參數更新通過反向傳播實現。

（1）卷積層

    卷積核是一系列的濾波器，用來提取某一種特徵

    我們用它來處理一個圖片，當圖像特徵與過濾器表示的特徵相似時，卷積操作可以得到一個比較大的值。

    當圖像特徵與過濾器不相似時，卷積操作可以得到一個比較小的值，實際上，卷積的結果特徵映射圖顯示的是對應卷積核所代表的特徵在原始特徵圖上的分布情況。

        每個濾波器在空間上（寬度和高度）都比較小，但是深度和輸入數據保持一致（特徵圖的通道數），當卷積核在原圖像滑動時，會生成一個二維激活圖，激活圖上每個空間位置代表原圖像對該卷積核的反應。每個卷積層，會有一整個集合的卷積核，有多少個卷積核，輸出就有多少個通道。每個卷積核生成一個特徵圖，這些特徵圖堆疊起來組成整個輸出結果。

    卷積核體現了參數共享和局部連接的模式。每個卷積核的大小代表了一個感受野的大小。

    卷積後的特徵圖大小為(W-F+2*P)/s+1 ；P 為填充 s 為步長

（2）池化層

    池化層本質上是下采樣，利用圖像局部相關性的原理（認為最大值或者均值代表了這個局部的特徵），對圖像進行子抽樣，可以減少數據處理量同時保留有用信息。這里池化有平均池化，L2範式池化，最大池化，經過實踐，最大池化的效果要好於平均池化（平均池化一般放在卷積神經網路的最後一層），最大池化有利於保存紋理信息，平均池化有利於保存背景信息。實際上（因為信息損失的原因）我們可以看到，通過在卷積時使用更大的步長也可以縮小特徵映射的尺寸，並不一定要用池化，有很多人不建議使用池化層。32*32在5*5卷積核步長為1下可得到28*28。

    池化操作可以逐漸降低數據體的空間尺寸，這樣的話就能減少網路中參數的數量，使得計算資源耗費變少，也能有效控制過擬合。

（3）全連接層

    通過全連接層將特徵圖轉化為類別輸出。全連接層不止一層，在這個過程中為了防止過擬合會引入DropOut。最新研究表明，在進入全連接層之前，使用全局平均池化可以有效降低過擬合。

（4）批歸一化BN——Batch Normal

    隨著神經網路訓練的進行，每個隱層的參數變化使得後一層的輸入發生變化，從而每一批的訓練數據的分布也隨之改變，致使網路在每次迭代中都需要擬合不同的數據分布，增大訓練復雜度和過擬合的風險，只能採用較小的學習率去解決。

    通常卷積層後就是BN層加Relu。BN已經是卷積神經網路中的一個標准技術。標准化的過程是可微的，因此可以將BN應用到每一層中做前向和反向傳播，同在接在卷積或者全連接層後，非線性層前。它對於不好的初始化有很強的魯棒性，同時可以加快網路收斂速度。

（5）DropOut

    Dropout對於某一層神經元，通過定義的概率來隨機刪除一些神經元，同時保持輸入層與輸出層神經元的個數不變，然後按照神經網路的學習方法進行參數更新，下一次迭代中，重新隨機刪除一些神經元，直至訓練結束。

（6）softmax層

    Softmax層也不屬於CNN中單獨的層，一般要用CNN做分類的話，我們習慣的方式是將神經元的輸出變成概率的形式，Softmax就是做這個的：  。顯然Softmax層所有的輸出相加為1，按照這個概率的大小確定到底屬於哪一類。

2. 卷積神經網路通俗理解

卷積神經網路通俗理解如下：

卷積神經網路(CNN)-結構

① CNN結構一般包含這幾個層：

• 輸入層：用於數據的輸入

• 卷積層：使用卷積核進行特徵提取和特徵映射

• 激勵層：由於卷積也是一種線性運算，因此需要增加非線性映射

• 池化層：進行下采樣，對特徵圖稀疏處理，減少數據運算量。

• 全連接層：通常在CNN的尾部進行重新擬合，減少特徵信息的損失

• 輸出層：用於輸出結果

② 中間還可以使用一些其他的功能層：

• 歸一化層（Batch Normalization）：在CNN中對特徵的歸一化

• 切分層：對某些（圖片）數據的進行分區域的單獨學習

• 融合層：對獨立進行特徵學習的分支進行融合

• 

卷積神經網路(CNN)-輸入層

① CNN的輸入層的輸入格式保留了圖片本身的結構。

② 對於黑白的 28×28的圖片，CNN 的輸入是一個 28×28 的二維神經元。

③ 對於 RGB 格式的 28×28 圖片，CNN 的輸入則是一個3×28×28 的三維神經元（RGB中的每一個顏色通道都有一個 28×28 的矩陣）


2）卷積神經網路(CNN)-卷積層

1. 感受視野

① 在卷積層中有幾個重要的概念：

• local receptive fields（感受視野）

• shared weights（共享權值）

② 假設輸入的是一個 28×28 的的二維神經元，我們定義 5×5 的 一個 local receptive fields（感受視野），即 隱藏層的神經元與輸入層的 5×5 個神經元相連，這個 5*5 的區域就稱之為 Local Receptive Fields，

3. 卷積神經網路參數解析

（1）現象：

        （1-1）一次性將batch數量個樣本feed神經網路，進行前向傳播；然後再進行權重的調整，這樣的一整個過程叫做一個回合（epoch），也即一個batch大小樣本的全過程就是一次迭代。

        （1-2）將訓練數據分塊，做成批(batch training)訓練可以將多個訓練數據元的loss function求和，使用梯度下降法，最小化 求和後的loss function ，進而對神經網路的參數進行優化更新

（2）一次迭代：包括前向傳播計算輸出向量、輸出向量與label的loss計算和後向傳播求loss對權重向量 w 導數（梯度下降法計算），並實現權重向量 w 的更新。

（3）優點：

        （a）對梯度向量（代價函數對權值向量 w 的導數）的精確估計，保證以最快的速度下降到局部極小值的收斂性；一個batch一次梯度下降；

        （b）學習過程的並行運行；

        （c）更加接近隨機梯度下降的演算法效果；

        （d）Batch Normalization 使用同批次的統計平均和偏差對數據進行正則化，加速訓練，有時可提高正確率 [7]

（4）現實工程問題：存在計算機存儲問題，一次載入的batch大小受到內存的影響；

（5）batch參數選擇：

        （5-1）從收斂速度的角度來說，小批量的樣本集合是最優的，也就是我們所說的mini-batch，這時的batch size往往從幾十到幾百不等，但一般不會超過幾千

        （5-2）GPU對2的冪次的batch可以發揮更佳的性能，因此設置成16、32、64、128...時往往要比設置為整10、整100的倍數時表現更優

    （6）4種加速批梯度下降的方法 [8] ：

        （6-1）使用動量－使用權重的 速度 而非 位置 來改變權重。

        （6-2）針對不同權重參數使用不同學習率。

        （6-3）RMSProp－這是Prop 的均方根 ( Mean Square ) 改進形式，Rprop 僅僅使用梯度的符號，RMSProp 是其針對 Mini-batches 的平均化版本

        （6-4）利用曲率信息的最優化方法。

（1）定義：運用梯度下降演算法優化loss成本函數時，權重向量的更新規則中，在梯度項前會乘以一個系數，這個系數就叫學習速率η

（2）效果：

        （2-1）學習率η越小，每次迭代權值向量變化小，學習速度慢，軌跡在權值空間中較光滑，收斂慢；

        （2-2）學習率η越大，每次迭代權值向量變化大，學習速度快，但是有可能使變化處於震盪中，無法收斂；

    （3）處理方法：

        （3-1）既要加快學習速度又要保持穩定的方法修改delta法則，即添加動量項。

    （4）選擇經驗：

        （4-1）基於經驗的手動調整。 通過嘗試不同的固定學習率，如0.1, 0.01, 0.001等，觀察迭代次數和loss的變化關系，找到loss下降最快關系對應的學習率。

        （4-2）基於策略的調整。

                （4-2-1）fixed 、exponential、polynomial

                （4-2-2）自適應動態調整。adadelta、adagrad、ftrl、momentum、rmsprop、sgd

    （5）學習率η的調整：學習速率在學習過程中實現自適應調整（一般是衰減）

        （5-1）非自適應學習速率可能不是最佳的。

        （5-2）動量是一種自適應學習速率方法的參數，允許沿淺方向使用較高的速度，同時沿陡峭方向降低速度前進

        （5-3）降低學習速率是必要的，因為在訓練過程中，較高學習速率很可能陷入局部最小值。

參考文獻：

[1]  Simon Haykin. 神經網路與機器學習[M]. 機械工業出版社, 2011.

[2]   訓練神經網路時如何確定batch的大小？

[3]   學習筆記：Batch Size 對深度神經網路預言能力的影響  

[4]   機器學習演算法中如何選取超參數：學習速率、正則項系數、minibatch size.  http://blog.csdn.net/u012162613/article/details/44265967

[5]   深度學習如何設置學習率 . http://blog.csdn.net/mao_feng/article/details/52902666

[6]   調整學習速率以優化神經網路訓練. https://zhuanlan.hu.com/p/28893986

[7]   機器學習中用來防止過擬合的方法有哪些？

[8]   Neural Networks for Machine Learning by Geoffrey Hinton .

[9]   如何確定卷積神經網路的卷積核大小、卷積層數、每層map個數

[10]   卷積神經網路的卷積核大小、卷積層數、每層map個數都是如何確定下來的呢？

4. 卷積神經網路用全連接層的參數是怎麼確定的

卷積神經網路用全連接層的參數確定：卷積神經網路與傳統的人臉檢測方法不同，它是通過直接作用於輸入樣本，用樣本來訓練網路並最終實現檢測任務的。

它是非參數型的人臉檢測方法，可以省去傳統方法中建模、參數估計以及參數檢驗、重建模型等的一系列復雜過程。本文針對圖像中任意大小、位置、姿勢、方向、膚色、面部表情和光照條件的人臉。

輸入層

卷積神經網路的輸入層可以處理多維數據，常見地，一維卷積神經網路的輸入層接收一維或二維數組，其中一維數組通常為時間或頻譜采樣；二維數組可能包含多個通道；二維卷積神經網路的輸入層接收二維或三維數組；三維卷積神經網路的輸入層接收四維數組。

由於卷積神經網路在計算機視覺領域應用較廣，因此許多研究在介紹其結構時預先假設了三維輸入數據，即平面上的二維像素點和RGB通道。

5. 卷積神經網路

一般由卷積層，匯聚層，和全連接層交叉堆疊而成，使用反向傳播演算法進行訓練（反向傳播，再重新看一下）
卷積神經網路有三個結構上的特性：局部連接，權重共享以及子采樣

濾波器filter 卷積核convolution kernel
局部連接，其實就是根據時間，權重遞減 最後為0 參數就傳播不到遠處了

局部連接 乘以 濾波器 得特徵映射

互相關，是一個衡量兩個序列相關性的函數，
互相關和卷積的區別在於 卷積核僅僅是否進行翻轉，因此互相關也可以稱為 不翻轉卷積
使用卷積 是為了進行特徵抽取，卷積核 是否進行翻轉和其特徵抽取的能力無關。
當卷積核是可以學習的參數，卷積和互相關是等價的，因此，其實兩者差不多。

Tips：P是代表特徵映射

6. 一文看懂四種基本的神經網路架構

原文鏈接：
http://blackblog.tech/2018/02/23/Eight-Neural-Network/

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剛剛入門神經網路，往往會對眾多的神經網路架構感到困惑，神經網路看起來復雜多樣，但是這么多架構無非也就是三類，前饋神經網路，循環網路，對稱連接網路，本文將介紹四種常見的神經網路，分別是CNN，RNN，DBN，GAN。通過這四種基本的神經網路架構，我們來對神經網路進行一定的了解。

神經網路是機器學習中的一種模型，是一種模仿動物神經網路行為特徵，進行分布式並行信息處理的演算法數學模型。這種網路依靠系統的復雜程度，通過調整內部大量節點之間相互連接的關系，從而達到處理信息的目的。
一般來說，神經網路的架構可以分為三類：

前饋神經網路：
這是實際應用中最常見的神經網路類型。第一層是輸入，最後一層是輸出。如果有多個隱藏層，我們稱之為「深度」神經網路。他們計算出一系列改變樣本相似性的變換。各層神經元的活動是前一層活動的非線性函數。

循環網路：
循環網路在他們的連接圖中定向了循環，這意味著你可以按照箭頭回到你開始的地方。他們可以有復雜的動態，使其很難訓練。他們更具有生物真實性。
循環網路的目的使用來處理序列數據。在傳統的神經網路模型中，是從輸入層到隱含層再到輸出層，層與層之間是全連接的，每層之間的節點是無連接的。但是這種普通的神經網路對於很多問題卻無能無力。例如，你要預測句子的下一個單詞是什麼，一般需要用到前面的單詞，因為一個句子中前後單詞並不是獨立的。
循環神經網路，即一個序列當前的輸出與前面的輸出也有關。具體的表現形式為網路會對前面的信息進行記憶並應用於當前輸出的計算中，即隱藏層之間的節點不再無連接而是有連接的，並且隱藏層的輸入不僅包括輸入層的輸出還包括上一時刻隱藏層的輸出。

對稱連接網路：
對稱連接網路有點像循環網路，但是單元之間的連接是對稱的（它們在兩個方向上權重相同）。比起循環網路，對稱連接網路更容易分析。這個網路中有更多的限制，因為它們遵守能量函數定律。沒有隱藏單元的對稱連接網路被稱為「Hopfield 網路」。有隱藏單元的對稱連接的網路被稱為玻爾茲曼機。

其實之前的帖子講過一些關於感知機的內容，這里再復述一下。
首先還是這張圖
這是一個M-P神經元

一個神經元有n個輸入，每一個輸入對應一個權值w，神經元內會對輸入與權重做乘法後求和，求和的結果與偏置做差，最終將結果放入激活函數中，由激活函數給出最後的輸出，輸出往往是二進制的，0 狀態代表抑制，1 狀態代表激活。

可以把感知機看作是 n 維實例空間中的超平面決策面，對於超平面一側的樣本，感知器輸出 1，對於另一側的實例輸出 0，這個決策超平面方程是 w⋅x=0。 那些可以被某一個超平面分割的正反樣例集合稱為線性可分(linearly separable)樣例集合，它們就可以使用圖中的感知機表示。
與、或、非問題都是線性可分的問題，使用一個有兩輸入的感知機能容易地表示，而異或並不是一個線性可分的問題，所以使用單層感知機是不行的，這時候就要使用多層感知機來解決疑惑問題了。

如果我們要訓練一個感知機，應該怎麼辦呢？
我們會從隨機的權值開始，反復地應用這個感知機到每個訓練樣例，只要它誤分類樣例就修改感知機的權值。重復這個過程，直到感知機正確分類所有的樣例。每一步根據感知機訓練法則來修改權值，也就是修改與輸入 xi 對應的權 wi，法則如下：

這里 t 是當前訓練樣例的目標輸出，o 是感知機的輸出，η 是一個正的常數稱為學習速率。學習速率的作用是緩和每一步調整權的程度，它通常被設為一個小的數值（例如 0.1），而且有時會使其隨著權調整次數的增加而衰減。

多層感知機，或者說是多層神經網路無非就是在輸入層與輸出層之間加了多個隱藏層而已，後續的CNN，DBN等神經網路只不過是將重新設計了每一層的類型。感知機可以說是神經網路的基礎，後續更為復雜的神經網路都離不開最簡單的感知機的模型，

談到機器學習，我們往往還會跟上一個詞語，叫做模式識別，但是真實環境中的模式識別往往會出現各種問題。比如：
圖像分割：真實場景中總是摻雜著其它物體。很難判斷哪些部分屬於同一個對象。對象的某些部分可以隱藏在其他對象的後面。
物體光照：像素的強度被光照強烈影響。
圖像變形：物體可以以各種非仿射方式變形。例如，手寫也可以有一個大的圓圈或只是一個尖頭。
情景支持：物體所屬類別通常由它們的使用方式來定義。例如，椅子是為了讓人們坐在上面而設計的，因此它們具有各種各樣的物理形狀。
卷積神經網路與普通神經網路的區別在於，卷積神經網路包含了一個由卷積層和子采樣層構成的特徵抽取器。在卷積神經網路的卷積層中，一個神經元只與部分鄰層神經元連接。在CNN的一個卷積層中，通常包含若干個特徵平面(featureMap)，每個特徵平面由一些矩形排列的的神經元組成，同一特徵平面的神經元共享權值，這里共享的權值就是卷積核。卷積核一般以隨機小數矩陣的形式初始化，在網路的訓練過程中卷積核將學習得到合理的權值。共享權值（卷積核）帶來的直接好處是減少網路各層之間的連接，同時又降低了過擬合的風險。子采樣也叫做池化（pooling），通常有均值子采樣（mean pooling）和最大值子采樣（max pooling）兩種形式。子采樣可以看作一種特殊的卷積過程。卷積和子采樣大大簡化了模型復雜度，減少了模型的參數。
卷積神經網路由三部分構成。第一部分是輸入層。第二部分由n個卷積層和池化層的組合組成。第三部分由一個全連結的多層感知機分類器構成。
這里舉AlexNet為例：

·輸入：224×224大小的圖片，3通道
·第一層卷積：11×11大小的卷積核96個，每個GPU上48個。
·第一層max-pooling：2×2的核。
·第二層卷積：5×5卷積核256個，每個GPU上128個。
·第二層max-pooling：2×2的核。
·第三層卷積：與上一層是全連接，3*3的卷積核384個。分到兩個GPU上個192個。
·第四層卷積：3×3的卷積核384個，兩個GPU各192個。該層與上一層連接沒有經過pooling層。
·第五層卷積：3×3的卷積核256個，兩個GPU上個128個。
·第五層max-pooling：2×2的核。
·第一層全連接：4096維，將第五層max-pooling的輸出連接成為一個一維向量，作為該層的輸入。
·第二層全連接：4096維
·Softmax層：輸出為1000，輸出的每一維都是圖片屬於該類別的概率。

卷積神經網路在模式識別領域有著重要應用，當然這里只是對卷積神經網路做了最簡單的講解，卷積神經網路中仍然有很多知識，比如局部感受野，權值共享，多卷積核等內容，後續有機會再進行講解。

傳統的神經網路對於很多問題難以處理，比如你要預測句子的下一個單詞是什麼，一般需要用到前面的單詞，因為一個句子中前後單詞並不是獨立的。RNN之所以稱為循環神經網路，即一個序列當前的輸出與前面的輸出也有關。具體的表現形式為網路會對前面的信息進行記憶並應用於當前輸出的計算中，即隱藏層之間的節點不再無連接而是有連接的，並且隱藏層的輸入不僅包括輸入層的輸出還包括上一時刻隱藏層的輸出。理論上，RNN能夠對任何長度的序列數據進行處理。
這是一個簡單的RNN的結構，可以看到隱藏層自己是可以跟自己進行連接的。

那麼RNN為什麼隱藏層能夠看到上一刻的隱藏層的輸出呢，其實我們把這個網路展開來開就很清晰了。

從上面的公式我們可以看出，循環層和全連接層的區別就是循環層多了一個權重矩陣 W。
如果反復把式2帶入到式1，我們將得到：

在講DBN之前，我們需要對DBN的基本組成單位有一定的了解，那就是RBM，受限玻爾茲曼機。
首先什麼是玻爾茲曼機？
[圖片上傳失敗...(image-d36b31-1519636788074)]
如圖所示為一個玻爾茲曼機，其藍色節點為隱層，白色節點為輸入層。
玻爾茲曼機和遞歸神經網路相比，區別體現在以下幾點：
1、遞歸神經網路本質是學習一個函數，因此有輸入和輸出層的概念，而玻爾茲曼機的用處在於學習一組數據的「內在表示」，因此其沒有輸出層的概念。
2、遞歸神經網路各節點鏈接為有向環，而玻爾茲曼機各節點連接成無向完全圖。

而受限玻爾茲曼機是什麼呢？
最簡單的來說就是加入了限制，這個限制就是將完全圖變成了二分圖。即由一個顯層和一個隱層構成，顯層與隱層的神經元之間為雙向全連接。

h表示隱藏層，v表示顯層
在RBM中，任意兩個相連的神經元之間有一個權值w表示其連接強度，每個神經元自身有一個偏置系數b（對顯層神經元）和c（對隱層神經元）來表示其自身權重。
具體的公式推導在這里就不展示了

DBN是一個概率生成模型，與傳統的判別模型的神經網路相對，生成模型是建立一個觀察數據和標簽之間的聯合分布，對P(Observation|Label)和 P(Label|Observation)都做了評估，而判別模型僅僅而已評估了後者，也就是P(Label|Observation)。
DBN由多個限制玻爾茲曼機（Restricted Boltzmann Machines）層組成，一個典型的神經網路類型如圖所示。這些網路被「限制」為一個可視層和一個隱層，層間存在連接，但層內的單元間不存在連接。隱層單元被訓練去捕捉在可視層表現出來的高階數據的相關性。

生成對抗網路其實在之前的帖子中做過講解，這里在說明一下。
生成對抗網路的目標在於生成，我們傳統的網路結構往往都是判別模型，即判斷一個樣本的真實性。而生成模型能夠根據所提供的樣本生成類似的新樣本，注意這些樣本是由計算機學習而來的。
GAN一般由兩個網路組成，生成模型網路，判別模型網路。
生成模型 G 捕捉樣本數據的分布，用服從某一分布（均勻分布，高斯分布等）的雜訊 z 生成一個類似真實訓練數據的樣本，追求效果是越像真實樣本越好；判別模型 D 是一個二分類器，估計一個樣本來自於訓練數據（而非生成數據）的概率，如果樣本來自於真實的訓練數據，D 輸出大概率，否則，D 輸出小概率。
舉個例子：生成網路 G 好比假幣製造團伙，專門製造假幣，判別網路 D 好比警察，專門檢測使用的貨幣是真幣還是假幣，G 的目標是想方設法生成和真幣一樣的貨幣，使得 D 判別不出來，D 的目標是想方設法檢測出來 G 生成的假幣。
傳統的判別網路：

生成對抗網路：

下面展示一個cDCGAN的例子（前面帖子中寫過的）
生成網路

判別網路

最終結果，使用MNIST作為初始樣本，通過學習後生成的數字，可以看到學習的效果還是不錯的。

本文非常簡單的介紹了四種神經網路的架構，CNN，RNN，DBN，GAN。當然也僅僅是簡單的介紹，並沒有深層次講解其內涵。這四種神經網路的架構十分常見，應用也十分廣泛。當然關於神經網路的知識，不可能幾篇帖子就講解完，這里知識講解一些基礎知識，幫助大家快速入（zhuang）門（bi）。後面的帖子將對深度自動編碼器，Hopfield 網路長短期記憶網路（LSTM）進行講解。

7. 卷積神經網路的 卷積層、激活層、池化層、全連接層

數據輸入的是一張圖片（輸入層），CONV表示卷積層，RELU表示激勵層，POOL表示池化層，Fc表示全連接層

全連接神經網路需要非常多的計算資源才能支撐它來做反向傳播和前向傳播，所以說全連接神經網路可以存儲非常多的參數，如果你給它的樣本如果沒有達到它的量級的時候，它可以輕輕鬆鬆把你給他的樣本全部都記下來，這會出現過擬合的情況。

所以我們應該把神經元和神經元之間的連接的權重個數降下來，但是降下來我們又不能保證它有較強的學習能力，所以這是一個糾結的地方，所以有一個方法就是 局部連接+權值共享 ，局部連接+權值共享不僅權重參數降下來了，而且學習能力並沒有實質的降低，除此之外還有其它的好處，下來看一下，下面的這幾張圖片：

一個圖像的不同表示方式

這幾張圖片描述的都是一個東西，但是有的大有的小，有的靠左邊，有的靠右邊，有的位置不同，但是我們構建的網路識別這些東西的時候應該是同一結果。為了能夠達到這個目的，我們可以讓圖片的不同位置具有相同的權重（權值共享），也就是上面所有的圖片，我們只需要在訓練集中放一張，我們的神經網路就可以識別出上面所有的，這也是 權值共享 的好處。

而卷積神經網路就是局部連接+權值共享的神經網路。

現在我們對卷積神經網路有一個初步認識了，下面具體來講解一下卷積神經網路，卷積神經網路依舊是層級結構，但層的功能和形式做了改變，卷積神經網路常用來處理圖片數據，比如識別一輛汽車：

在圖片輸出到神經網路之前，常常先進行圖像處理，有 三種 常見的圖像的處理方式：

均值化和歸一化

去相關和白化

圖片有一個性質叫做局部關聯性質，一個圖片的像素點影響最大的是它周邊的像素點，而距離這個像素點比較遠的像素點二者之間關系不大。這個性質意味著每一個神經元我們不用處理全局的圖片了（和上一層全連接），我們的每一個神經元只需要和上一層局部連接，相當於每一個神經元掃描一小區域，然後許多神經元（這些神經元權值共享）合起來就相當於掃描了全局，這樣就構成一個特徵圖，n個特徵圖就提取了這個圖片的n維特徵，每個特徵圖是由很多神經元來完成的。

在卷積神經網路中，我們先選擇一個局部區域（filter），用這個局部區域（filter）去掃描整張圖片。 局部區域所圈起來的所有節點會被連接到下一層的 一個節點上 。我們拿灰度圖（只有一維）來舉例：

局部區域

圖片是矩陣式的，將這些以矩陣排列的節點展成了向量。就能更好的看出來卷積層和輸入層之間的連接，並不是全連接的，我們將上圖中的紅色方框稱為filter，它是2*2的，這是它的尺寸，這不是固定的，我們可以指定它的尺寸。

我們可以看出來當前filter是2*2的小窗口，這個小窗口會將圖片矩陣從左上角滑到右下角，每滑一次就會一下子圈起來四個，連接到下一層的一個神經元，然後產生四個權重，這四個權重(w1、w2、w3、w4)構成的矩陣就叫做卷積核。

卷積核是演算法自己學習得到的，它會和上一層計算，比如，第二層的0節點的數值就是局部區域的線性組合（w1 0+w2 1+w3 4+w4 5），即被圈中節點的數值乘以對應的權重後相加。

卷積核計算

卷積操作

我們前面說過圖片不用向量表示是為了保留圖片平面結構的信息。 同樣的，卷積後的輸出若用上圖的向量排列方式則丟失了平面結構信息。 所以我們依然用矩陣的方式排列它們，就得到了下圖所展示的連接，每一個藍色結點連接四個黃色的結點。

卷積層的連接方式

圖片是一個矩陣然後卷積神經網路的下一層也是一個矩陣，我們用一個卷積核從圖片矩陣左上角到右下角滑動，每滑動一次，當然被圈起來的神經元們就會連接下一層的一個神經元，形成參數矩陣這個就是卷積核，每次滑動雖然圈起來的神經元不同，連接下一層的神經元也不同，但是產生的參數矩陣確是一樣的，這就是 權值共享 。

卷積核會和掃描的圖片的那個局部矩陣作用產生一個值，比如第一次的時候，（w1 0+w2 1+w3 4+w4 5），所以，filter從左上到右下的這個過程中會得到一個矩陣（這就是下一層也是一個矩陣的原因），具體過程如下所示：

卷積計算過程

上圖中左邊是圖矩陣，我們使用的filter的大小是3 3的，第一次滑動的時候，卷積核和圖片矩陣作用（1 1+1 0+1 1+0 0+1 1+1 0+0 1+0 0+1 1）=4，會產生一個值，這個值就是右邊矩陣的第一個值，filter滑動9次之後，會產生9個值，也就是說下一層有9個神經元，這9個神經元產生的值就構成了一個矩陣，這矩陣叫做特徵圖，表示image的某一維度的特徵，當然具體哪一維度可能並不知道，可能是這個圖像的顏色，也有可能是這個圖像的輪廓等等。

單通道圖片總結 ：以上就是單通道的圖片的卷積處理，圖片是一個矩陣，我們用指定大小的卷積核從左上角到右下角來滑動，每次滑動所圈起來的結點會和下一層的一個結點相連，連接之後就會形成局部連接，每一條連接都會產生權重，這些權重就是卷積核，所以每次滑動都會產生一個卷積核，因為權值共享，所以這些卷積核都是一樣的。卷積核會不斷和當時卷積核所圈起來的局部矩陣作用，每次產生的值就是下一層結點的值了，這樣多次產生的值組合起來就是一個特徵圖，表示某一維度的特徵。也就是從左上滑動到右下這一過程中會形成一個特徵圖矩陣（共享一個卷積核），再從左上滑動到右下又會形成另一個特徵圖矩陣（共享另一個卷積核），這些特徵圖都是表示特徵的某一維度。

三個通道的圖片如何進行卷積操作？

至此我們應該已經知道了單通道的灰度圖是如何處理的，實際上我們的圖片都是RGB的圖像，有三個通道，那麼此時圖像是如何卷積的呢？

彩色圖像

filter窗口滑的時候，我們只是從width和height的角度來滑動的，並沒有考慮depth，所以每滑動一次實際上是產生一個卷積核，共享這一個卷積核，而現在depth=3了，所以每滑動一次實際上產生了具有三個通道的卷積核（它們分別作用於輸入圖片的藍色、綠色、紅色通道），卷積核的一個通道核藍色的矩陣作用產生一個值，另一個和綠色的矩陣作用產生一個值，最後一個和紅色的矩陣作用產生一個值，然後這些值加起來就是下一層結點的值，結果也是一個矩陣，也就是一張特徵圖。

三通道的計算過程

要想有多張特徵圖的話，我們可以再用新的卷積核來進行左上到右下的滑動，這樣就會形成 新的特徵圖 。

三通道圖片的卷積過程

也就是說增加一個卷積核，就會產生一個特徵圖，總的來說就是輸入圖片有多少通道，我們的卷積核就需要對應多少通道，而本層中卷積核有多少個，就會產生多少個特徵圖。這樣卷積後輸出可以作為新的輸入送入另一個卷積層中處理，有幾個特徵圖那麼depth就是幾，那麼下一層的每一個特徵圖就得用相應的通道的卷積核來對應處理，這個邏輯要清楚，我們需要先了解一下 基本的概念：

卷積計算的公式

4x4的圖片在邊緣Zero padding一圈後，再用3x3的filter卷積後，得到的Feature Map尺寸依然是4x4不變。

填充

當然也可以使用5x5的filte和2的zero padding可以保持圖片的原始尺寸，3x3的filter考慮到了像素與其距離為1以內的所有其他像素的關系，而5x5則是考慮像素與其距離為2以內的所有其他像素的關系。

規律： Feature Map的尺寸等於

(input_size + 2 * padding_size − filter_size)/stride+1

我們可以把卷積層的作用 總結一點： 卷積層其實就是在提取特徵，卷積層中最重要的是卷積核（訓練出來的），不同的卷積核可以探測特定的形狀、顏色、對比度等，然後特徵圖保持了抓取後的空間結構，所以不同卷積核對應的特徵圖表示某一維度的特徵，具體什麼特徵可能我們並不知道。特徵圖作為輸入再被卷積的話，可以則可以由此探測到"更大"的形狀概念，也就是說隨著卷積神經網路層數的增加，特徵提取的越來越具體化。

激勵層的作用可以理解為把卷積層的結果做 非線性映射 。

激勵層

上圖中的f表示激勵函數，常用的激勵函數幾下幾種：

常用的激勵函數

我們先來看一下激勵函數Sigmoid導數最小為0，最大為1/4，

激勵函數Sigmoid

Tanh激活函數：和sigmoid相似，它會關於x軸上下對應，不至於朝某一方面偏向

Tanh激活函數

ReLU激活函數（修正線性單元)：收斂快，求梯度快，但較脆弱，左邊的梯度為0

ReLU激活函數

Leaky ReLU激活函數：不會飽和或者掛掉，計算也很快，但是計算量比較大

Leaky ReLU激活函數

一些激勵函數的使用技巧 ：一般不要用sigmoid，首先試RELU，因為快，但要小心點，如果RELU失效，請用Leaky ReLU，某些情況下tanh倒是有不錯的結果。

這就是卷積神經網路的激勵層，它就是將卷積層的線性計算的結果進行了非線性映射。可以從下面的圖中理解。它展示的是將非線性操作應用到一個特徵圖中。這里的輸出特徵圖也可以看作是"修正"過的特徵圖。如下所示：

非線性操作

池化層：降低了各個特徵圖的維度，但可以保持大分重要的信息。池化層夾在連續的卷積層中間，壓縮數據和參數的量，減小過擬合，池化層並沒有參數，它只不過是把上層給它的結果做了一個下采樣（數據壓縮）。下采樣有 兩種 常用的方式：

Max pooling ：選取最大的，我們定義一個空間鄰域（比如，2x2 的窗口），並從窗口內的修正特徵圖中取出最大的元素，最大池化被證明效果更好一些。

Average pooling ：平均的，我們定義一個空間鄰域（比如，2x2 的窗口），並從窗口內的修正特徵圖算出平均值

Max pooling

我們要注意一點的是：pooling在不同的depth上是分開執行的，也就是depth=5的話，pooling進行5次，產生5個池化後的矩陣，池化不需要參數控制。池化操作是分開應用到各個特徵圖的，我們可以從五個輸入圖中得到五個輸出圖。

池化操作

無論是max pool還是average pool都有分信息被舍棄，那麼部分信息被舍棄後會損壞識別結果嗎？

因為卷積後的Feature Map中有對於識別物體不必要的冗餘信息，我們下采樣就是為了去掉這些冗餘信息，所以並不會損壞識別結果。

我們來看一下卷積之後的冗餘信息是怎麼產生的？

我們知道卷積核就是為了找到特定維度的信息，比如說某個形狀，但是圖像中並不會任何地方都出現這個形狀，但卷積核在卷積過程中沒有出現特定形狀的圖片位置卷積也會產生一個值，但是這個值的意義就不是很大了，所以我們使用池化層的作用，將這個值去掉的話，自然也不會損害識別結果了。

比如下圖中，假如卷積核探測"橫折"這個形狀。 卷積後得到3x3的Feature Map中，真正有用的就是數字為3的那個節點，其餘數值對於這個任務而言都是無關的。 所以用3x3的Max pooling後，並沒有對"橫折"的探測產生影響。 試想在這里例子中如果不使用Max pooling，而讓網路自己去學習。 網路也會去學習與Max pooling近似效果的權重。因為是近似效果，增加了更多的參數的代價，卻還不如直接進行最大池化處理。

最大池化處理

在全連接層中所有神經元都有權重連接，通常全連接層在卷積神經網路尾部。當前面卷積層抓取到足以用來識別圖片的特徵後，接下來的就是如何進行分類。 通常卷積網路的最後會將末端得到的長方體平攤成一個長長的向量，並送入全連接層配合輸出層進行分類。比如，在下面圖中我們進行的圖像分類為四分類問題，所以卷積神經網路的輸出層就會有四個神經元。

四分類問題

我們從卷積神經網路的輸入層、卷積層、激活層、池化層以及全連接層來講解卷積神經網路，我們可以認為全連接層之間的在做特徵提取，而全連接層在做分類，這就是卷積神經網路的核心。

8. 卷積神經網路

關於花書中卷積網路的筆記記錄於 https://www.jianshu.com/p/5a3c90ea0807 。

卷積神經網路（Convolutional Neural Network，CNN或ConvNet）是一種具有 局部連接、權重共享 等特性的深層前饋神經網路。卷積神經網路是受生物學上感受野的機制而提出。 感受野（Receptive Field） 主要是指聽覺、視覺等神經系統中一些神經元的特性，即 神經元只接受其所支配的刺激區域內的信號 。

卷積神經網路最早是主要用來處理圖像信息。如果用全連接前饋網路來處理圖像時，會存在以下兩個問題：

目前的卷積神經網路一般是由卷積層、匯聚層和全連接層交叉堆疊而成的前饋神經網路，使用反向傳播演算法進行訓練。 卷積神經網路有三個結構上的特性：局部連接，權重共享以及匯聚 。這些特性使卷積神經網路具有一定程度上的平移、縮放和旋轉不變性。

卷積（Convolution）是分析數學中一種重要的運算。在信號處理或圖像處理中，經常使用一維或二維卷積。

一維卷積經常用在信號處理中，用於計算信號的延遲累積。假設一個信號發生器每個時刻t 產生一個信號 ，其信息的衰減率為 ，即在 個時間步長後，信息為原來的 倍。假設 ，那麼在時刻t收到的信號 為當前時刻產生的信息和以前時刻延遲信息的疊加：

我們把 稱為 濾波器（Filter）或卷積核（Convolution Kernel） 。假設濾波器長度為 ，它和一個信號序列 的卷積為：

信號序列 和濾波器 的卷積定義為：

一般情況下濾波器的長度 遠小於信號序列長度 ，下圖給出一個一維卷積示例，濾波器為 ：

二維卷積經常用在圖像處理中。因為圖像為一個兩維結構，所以需要將一維卷積進行擴展。給定一個圖像 和濾波器 ，其卷積為：

下圖給出一個二維卷積示例：

注意這里的卷積運算並不是在圖像中框定卷積核大小的方框並將各像素值與卷積核各個元素相乘並加和，而是先把卷積核旋轉180度，再做上述運算。

在圖像處理中，卷積經常作為特徵提取的有效方法。一幅圖像在經過卷積操作後得到結果稱為 特徵映射（Feature Map） 。

最上面的濾波器是常用的高斯濾波器，可以用來對圖像進行 平滑去噪 ；中間和最下面的過濾器可以用來 提取邊緣特徵 。

在機器學習和圖像處理領域，卷積的主要功能是在一個圖像（或某種特徵）上滑動一個卷積核（即濾波器），通過卷積操作得到一組新的特徵。在計算卷積的過程中，需要進行卷積核翻轉（即上文提到的旋轉180度）。 在具體實現上，一般會以互相關操作來代替卷積，從而會減少一些不必要的操作或開銷。

互相關（Cross-Correlation）是一個衡量兩個序列相關性的函數，通常是用滑動窗口的點積計算來實現 。給定一個圖像 和卷積核 ，它們的互相關為：

互相關和卷積的區別僅在於卷積核是否進行翻轉。因此互相關也可以稱為不翻轉卷積 。當卷積核是可學習的參數時，卷積和互相關是等價的。因此，為了實現上（或描述上）的方便起見，我們用互相關來代替卷積。事實上，很多深度學習工具中卷積操作其實都是互相關操作。

在卷積的標準定義基礎上，還可以引入濾波器的 滑動步長 和 零填充 來增加卷積多樣性，更靈活地進行特徵抽取。

濾波器的步長（Stride）是指濾波器在滑動時的時間間隔。

零填充（Zero Padding）是在輸入向量兩端進行補零。

假設卷積層的輸入神經元個數為 ，卷積大小為 ，步長為 ，神經元兩端各填補 個零，那麼該卷積層的神經元數量為 。

一般常用的卷積有以下三類：

因為卷積網路的訓練也是基於反向傳播演算法，因此我們重點關注卷積的導數性質：

假設 。

， ， 。函數 為一個標量函數。

則由 有：

可以看出， 關於 的偏導數為 和 的卷積 ：

同理得到：

當 或 時， ，即相當於對 進行 的零填充。從而 關於 的偏導數為 和 的寬卷積 。

用互相關的「卷積」表示，即為（注意 寬卷積運算具有交換性性質 ）：

在全連接前饋神經網路中，如果第 層有 個神經元，第 層有 個神經元，連接邊有 個，也就是權重矩陣有 個參數。當 和 都很大時，權重矩陣的參數非常多，訓練的效率會非常低。

如果採用卷積來代替全連接，第 層的凈輸入 為第 層活性值 和濾波器 的卷積，即：

根據卷積的定義，卷積層有兩個很重要的性質：

由於局部連接和權重共享，卷積層的參數只有一個m維的權重 和1維的偏置 ，共 個參數。參數個數和神經元的數量無關。此外，第 層的神經元個數不是任意選擇的，而是滿足 。

卷積層的作用是提取一個局部區域的特徵，不同的卷積核相當於不同的特徵提取器。

特徵映射（Feature Map）為一幅圖像（或其它特徵映射）在經過卷積提取到的特徵，每個特徵映射可以作為一類抽取的圖像特徵。 為了提高卷積網路的表示能力，可以在每一層使用多個不同的特徵映射，以更好地表示圖像的特徵。

在輸入層，特徵映射就是圖像本身。如果是灰度圖像，就是有一個特徵映射，深度 ；如果是彩色圖像，分別有RGB三個顏色通道的特徵映射，深度 。

不失一般性，假設一個卷積層的結構如下：

為了計算輸出特徵映射 ，用卷積核 分別對輸入特徵映射 進行卷積，然後將卷積結果相加，並加上一個標量偏置 得到卷積層的凈輸入 再經過非線性激活函數後得到輸出特徵映射 。

在輸入為 ，輸出為 的卷積層中，每個輸出特徵映射都需要 個濾波器以及一個偏置。假設每個濾波器的大小為 ，那麼共需要 個參數。

匯聚層（Pooling Layer）也叫子采樣層（Subsampling Layer），其作用是進行特徵選擇，降低特徵數量，並從而減少參數數量。

常用的匯聚函數有兩種：

其中 為區域 內每個神經元的激活值。

可以看出，匯聚層不但可以有效地減少神經元的數量，還可以使得網路對一些小的局部形態改變保持不變性，並擁有更大的感受野。

典型的匯聚層是將每個特徵映射劃分為 大小的不重疊區域，然後使用最大匯聚的方式進行下采樣。匯聚層也可以看做是一個特殊的卷積層，卷積核大小為 ，步長為 ，卷積核為 函數或 函數。過大的采樣區域會急劇減少神經元的數量，會造成過多的信息損失。

一個典型的卷積網路是由卷積層、匯聚層、全連接層交叉堆疊而成。

目前常用卷積網路結構如圖所示，一個卷積塊為連續 個卷積層和 個匯聚層（ 通常設置為 ， 為 或 ）。一個卷積網路中可以堆疊 個連續的卷積塊，然後在後面接著 個全連接層（ 的取值區間比較大，比如 或者更大； 一般為 ）。

目前，整個網路結構 趨向於使用更小的卷積核（比如 和 ）以及更深的結構（比如層數大於50） 。此外，由於卷積的操作性越來越靈活（比如不同的步長），匯聚層的作用變得也越來越小，因此目前比較流行的卷積網路中， 匯聚層的比例也逐漸降低，趨向於全卷積網路 。

在全連接前饋神經網路中，梯度主要通過每一層的誤差項 進行反向傳播，並進一步計算每層參數的梯度。在卷積神經網路中，主要有兩種不同功能的神經層：卷積層和匯聚層。而參數為卷積核以及偏置，因此 只需要計算卷積層中參數的梯度。

不失一般性，第 層為卷積層，第 層的輸入特徵映射為 ，通過卷積計算得到第 層的特徵映射凈輸入 ，第 層的第 個特徵映射凈輸入

由 得：

同理可得，損失函數關於第 層的第 個偏置 的偏導數為：

在卷積網路中，每層參數的梯度依賴其所在層的誤差項 。

卷積層和匯聚層中，誤差項的計算有所不同，因此我們分別計算其誤差項。

第 層的第 個特徵映射的誤差項 的具體推導過程如下：

其中 為第 層使用的激活函數導數， 為上采樣函數（upsampling），與匯聚層中使用的下采樣操作剛好相反。如果下采樣是最大匯聚（max pooling），誤差項 中每個值會直接傳遞到上一層對應區域中的最大值所對應的神經元，該區域中其它神經元的誤差項的都設為0。如果下采樣是平均匯聚（meanpooling），誤差項 中每個值會被平均分配到上一層對應區域中的所有神經元上。

第 層的第 個特徵映射的誤差項 的具體推導過程如下：

其中 為寬卷積。

LeNet-5雖然提出的時間比較早，但是是一個非常成功的神經網路模型。基於LeNet-5 的手寫數字識別系統在90年代被美國很多銀行使用，用來識別支票上面的手寫數字。LeNet-5 的網路結構如圖：

不計輸入層，LeNet-5共有7層，每一層的結構為：

AlexNet是第一個現代深度卷積網路模型，其首次使用了很多現代深度卷積網路的一些技術方法，比如採用了ReLU作為非線性激活函數，使用Dropout防止過擬合，使用數據增強來提高模型准確率等。AlexNet 贏得了2012 年ImageNet 圖像分類競賽的冠軍。

AlexNet的結構如圖，包括5個卷積層、3個全連接層和1個softmax層。因為網路規模超出了當時的單個GPU的內存限制，AlexNet 將網路拆為兩半，分別放在兩個GPU上，GPU間只在某些層（比如第3層）進行通訊。

AlexNet的具體結構如下：

在卷積網路中，如何設置卷積層的卷積核大小是一個十分關鍵的問題。 在Inception網路中，一個卷積層包含多個不同大小的卷積操作，稱為Inception模塊。Inception網路是由有多個inception模塊和少量的匯聚層堆疊而成 。

v1版本的Inception模塊，採用了4組平行的特徵抽取方式，分別為1×1、3× 3、5×5的卷積和3×3的最大匯聚。同時，為了提高計算效率，減少參數數量，Inception模塊在進行3×3、5×5的卷積之前、3×3的最大匯聚之後，進行一次1×1的卷積來減少特徵映射的深度。如果輸入特徵映射之間存在冗餘信息， 1×1的卷積相當於先進行一次特徵抽取 。