卷积神经网络（CNN）

卷积神经网络介绍

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。

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。

卷积层完成的操作，可以认为是受局部感受野概念的启发，而池化层，主要是为了降低数据维度。

综合起来说，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。

经典卷积神经网络

卷积神经网络是一个多层的神经网络，每层由多个二维平面组成，而每个平面由多个独立神经元组成。

 

       图：卷积神经网络的概念示范：输入图像通过和三个可训练的滤波器和可加偏置进行卷积，滤波过程如图一，卷积后在C1层产生三个特征映射图，然后特征映射图中每组的四个像素再进行求和，加权值，加偏置，通过一个Sigmoid函数得到三个S2层的特征映射图。这些映射图再进过滤波得到C3层。这个层级结构再和S2一样产生S4。最终，这些像素值被光栅化，并连接成一个向量输入到传统的神经网络，得到输出。

       一般地，C层为特征提取层，每个神经元的输入与前一层的局部感受野相连，并提取该局部的特征，一旦该局部特征被提取后，它与其他特征间的位置关系也随之确定下来；S层是特征映射层，网络的每个计算层由多个特征映射组成，每个特征映射为一个平面，平面上所有神经元的权值相等。特征映射结构采用影响函数核小的sigmoid函数作为卷积网络的激活函数，使得特征映射具有位移不变性。

层级介绍

1. 数据输入层/ Input layer
2. 卷积计算层/ CONV layer
3. ReLU激励层 / ReLU layer
4. 池化层 / Pooling layer
5. 全连接层 / FC layer
6. 损失层

数据输入层

该层要做的处理主要是对原始图像数据进行预处理，其中包括：　　

• 去均值：把输入数据各个维度都中心化为0，如下图所示，其目的就是把样本的中心拉回到坐标系原点上。　　

• 归一化：幅度归一化到同样的范围，如下所示，即减少各维度数据取值范围的差异而带来的干扰，比如，我们有两个维度的特征A和B，A范围是0到10，而B范围是0到10000，如果直接使用这两个特征是有问题的，好的做法就是归一化，即A和B的数据都变为0到1的范围。　　

• PCA/白化：用PCA降维；白化是对数据各个特征轴上的幅度归一化

卷积计算层

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。

参数减少与权值共享，降低参数量级

如果我们使用传统神经网络方式，对一张图片进行分类，那么，我们把图片的每个像素都连接到隐藏层节点上，那么对于一张1000x1000像素的图片，如果我们有1M隐藏层单元，那么一共有10^12个参数，这显然是不能接受的。（如下图所示）

但是我们在CNN里，可以大大减少参数个数，我们基于以下两个假设：

1）最底层特征都是局部性的，也就是说，我们用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，我们能用同样的一组分类器来描述各种各样不同的图像

激励层

把卷积层输出结果做非线性映射。

CNN采用的激励函数一般为ReLU(The Rectified Linear Unit/修正线性单元)，它的特点是收敛快，求梯度简单，但较脆弱。

激励层的实践经验：
　　①不要用sigmoid！不要用sigmoid！不要用sigmoid！
　　② 首先试RELU，因为快，但要小心点
　　③ 如果2失效，请用Leaky ReLU或者Maxout
　　④ 某些情况下tanh倒是有不错的结果，但是很少

池化层（Pooling）

池化听起来很高深，其实简单的说就是下采样。池化的过程如下图所示：

上图中，我们可以看到，原始图片是20x20的，我们对其进行下采样，采样窗口为10x10，最终将其下采样成为一个2x2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。

之所以能这么做，是因为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，池化根据下采样的方法，分为最大值下采样（Max-Pooling）与平均值下采样（Mean-Pooling）。

这里就说一下Max pooling，其实思想非常简单。

对于每个2*2的窗口选出最大的数作为输出矩阵的相应元素的值，比如输入矩阵第一个2*2窗口中最大的数是6，那么输出矩阵的第一个元素就是6，如此类推。

全连接层

对池化层的输出进行处理，输出一个T*1的向量。这个向量也是损失层的输入

损失层

有几个重要的模型：softmax，softmax loss，cross entropy

1、softmax模型

输入是T*1的向量，输出也是T*1的向量（这个向量的每个值表示这个样本属于每个类的概率），只不过输出的向量的每个值的大小范围为0到1。

公式非常简单，前面说过softmax的输入是WX，假设模型的输入样本是I，讨论一个3分类问题（类别用1，2，3表示），样本I的真实类别是2，那么这个样本I经过网络所有层到达softmax层之前就得到了WX，也就是说WX是一个3*1的向量，那么上面公式中的aj就表示这个3*1的向量中的第j个值（最后会得到S1，S2，S3）；而分母中的ak则表示3*1的向量中的3个值，所以会有个求和符号（这里求和是k从1到T，T和上面图中的T是对应相等的，也就是类别数的意思，j的范围也是1到T）。因为e^x恒大于0，所以分子永远是正数，分母又是多个正数的和，所以分母也肯定是正数，因此Sj是正数，而且范围是(0,1)。如果现在不是在训练模型，而是在测试模型，那么当一个样本经过softmax层并输出一个T*1的向量时，就会取这个向量中值最大的那个数的index作为这个样本的预测标签。

2、softmax loss

首先L是损失。Sj是softmax的输出向量S的第j个值，前面已经介绍过了，表示的是这个样本属于第j个类别的概率。yj前面有个求和符号，j的范围也是1到类别数T，因此y是一个1*T的向量，里面的T个值，而且只有1个值是1，其他T-1个值都是0。那么哪个位置的值是1呢？答案是真实标签对应的位置的那个值是1，其他都是0。所以这个公式其实有一个更简单的形式：

 

当然此时要限定j是指向当前样本的真实标签。

来举个例子吧。假设一个5分类问题，然后一个样本I的标签y=[0,0,0,1,0]，也就是说样本I的真实标签是4，假设模型预测的结果概率（softmax的输出）p=[0.1,0.15,0.05,0.6,0.1]，可以看出这个预测是对的，那么对应的损失L=-log(0.6)，也就是当这个样本经过这样的网络参数产生这样的预测p时，它的损失是-log(0.6)。那么假设p=[0.15,0.2,0.4,0.1,0.15]，这个预测结果就很离谱了，因为真实标签是4，而你觉得这个样本是4的概率只有0.1（远不如其他概率高，如果是在测试阶段，那么模型就会预测该样本属于类别3），对应损失L=-log(0.1)。那么假设p=[0.05,0.15,0.4,0.3,0.1]，这个预测结果虽然也错了，但是没有前面那个那么离谱，对应的损失L=-log(0.3)。我们知道log函数在输入小于1的时候是个负数，而且log函数是递增函数，所以-log(0.6) < -log(0.3) < -log(0.1)。简单讲就是你预测错比预测对的损失要大，预测错得离谱比预测错得轻微的损失要大。

卷积神经网络之训练算法

　1. 同一般机器学习算法，先定义Loss function，衡量和实际结果之间差距。
　2. 找到最小化损失函数的W和b， CNN中用的算法是SGD（随机梯度下降）。

卷积神经网络之优缺点

优点
　　• 共享卷积核，对高维数据处理无压力
　　• 无需手动选取特征，训练好权重，即得特征分类效果好
缺点
　　• 需要调参，需要大样本量，训练最好要GPU
　　• 物理含义不明确（也就说，我们并不知道没个卷积层到底提取到的是什么特征，而且神经网络本身就是一种难以解释的“黑箱模型”）

卷积神经网络之典型CNN

• LeNet，这是最早用于数字识别的CNN
• AlexNet， 2012 ILSVRC比赛远超第2名的CNN，比LeNet更深，用多层小卷积层叠加替换单大卷积层。
• ZF Net， 2013 ILSVRC比赛冠军
• GoogLeNet， 2014 ILSVRC比赛冠军
• VGGNet， 2014 ILSVRC比赛中的模型，图像识别略差于GoogLeNet，但是在很多图像转化学习问题(比如object detection)上效果奇好

卷积神经网络之 fine-tuning

何谓fine-tuning？
fine-tuning就是使用已用于其他目标、预训练好模型的权重或者部分权重，作为初始值开始训练。

那为什么我们不用随机选取选几个数作为权重初始值？原因很简单，第一，自己从头训练卷积神经网络容易出现问题；第二，fine-tuning能很快收敛到一个较理想的状态，省时又省心。

那fine-tuning的具体做法是？
　　• 复用相同层的权重，新定义层取随机权重初始值
　　• 调大新定义层的的学习率，调小复用层学习率

卷积神经网络的常用框架

Caffe
　　• 源于Berkeley的主流CV工具包，支持C++,python,matlab
　　• Model Zoo中有大量预训练好的模型供使用
Torch
　　• Facebook用的卷积神经网络工具包
　　• 通过时域卷积的本地接口，使用非常直观
　　• 定义新网络层简单
TensorFlow
　　• Google的深度学习框架
　　• TensorBoard可视化很方便
　　• 数据和模型并行化好，速度快

参考：

https://www.cnblogs.com/alexcai/p/5506806.html

https://blog.csdn.net/zouxy09/article/details/8781543

https://www.cnblogs.com/skyfsm/p/6790245.html

https://blog.csdn.net/u014380165/article/details/77284921