DeepLearning.ai学习笔记（四）卷积神经网络 -- week1 卷积神经网络基础知识介绍
一、计算机视觉
如图示，之前课程中介绍的都是64* 64 *3的图像，而一旦图像质量增加，例如变成1000 * 1000 * 3的时候那么此时的神经网络的计算量会巨大，显然这不现实。所以需要引入其他的方法来解决这个问题。
二、边缘检测示例
边缘检测可以是垂直边缘检测，也可以是水平边缘检测，如上图所示。
至于算法如何实现，下面举一个比较直观的例子：
可以很明显的看出原来6 * 6的矩阵有明显的垂直边缘，通过3 * 3的过滤器(也叫做 “核”)卷积之后，仍然保留了原来的垂直边缘特征，虽然这个边缘貌似有点大，这是因为数据不够大的原因，如果输入数据很大的话这个不是很明显了。
三、更多边缘检测内容
除了上面的垂直，水平边缘检测，其实也可以检测初颜色过度变化，例如是亮变暗，还是暗变亮？
下面是一些常见的过滤器，第二个是Sobel filter，具有较强的鲁棒性，第三个是Schoss filter。
其实过滤器的9个参数也可以通过学习的方式获得，虽然比较费劲，但是可能会学到很多其他除了垂直，水平的边缘特征，例如45°，70°等各种特征。
四、Padding
1.为什么要用padding
之所以运用Padding(填充)主要是为了解决如下两个缺点：
1.由前面的例子可以看到，每经过一次卷积计算，原数据都会减小，但有的时候我们并不希望这样。举个比较极端的例子：假设原数据是30 * 30的一只猫的图像，经过10次卷积(过滤器是3 * 3)后，最后图像只剩下了10 * 10了，此时不就剩下马赛克了吗23333
2.由卷积的计算方法可以知道，图像边缘特征计算次数显然少于图像中间位置的像素点，如下图示(绿色的位置明显是冷宫)
所以为了解决上=上面两个问题，引入了padding，一般是padding=1，填充的数据是0。效果如下：
原来的6 * 6填充后变成了8 * 8，此时在经过一次卷积得到的仍旧是6 * 6的矩阵。
下面总结一下卷积之后得到矩阵大小的计算方法，假设：
- 原数据是 n * n
- 过滤器是 f * f
- padding p * p
得到的矩阵大小是 (n+2p-f+1)*(n+2p-f+1)
对于第二个缺点，虽然边缘像素点仍旧计算的比较少，但是这个缺点至少一定程度上被削弱了。
2.如何padding的大小
两种选择：Valid 卷积和Same 卷积
- valid 卷积
即不添加padding。
- Same 卷积
即保持原图像矩阵的大小。满足 (n+2p-f+1) = n ,即 \(p=\frac{f-1}{2}\)
为了满足上式，f一般奇数。
五、卷积步长
过滤器纵向，横向都需要按步长S来移动，如图示
结合之前的内容，输出矩阵大小计算公式方法为，假设：
- 原数据是 : n * n
- 过滤器是 : f * f
- padding : p * p
- 步长Stride: s * s
得到的矩阵大小是 ⌊\(\frac{n+2p-f}{s}\)+1⌋*⌊\(\frac{n+2p-f}{s}\)+1⌋
⌊⌋: 向下取整符号 ⌊59/60⌋=0
⌈⌉：向上取整符号 ⌈59/60⌉=1
六、卷积中“卷”的体现之处
这一节用立体卷积来解释。
如图示，输入矩阵是 6 * 6 * 3(height * width * channels),过滤器是3 * 3 * 3，计算方法是一一对应相乘相加，最后得到4 * 4的二维矩阵。
有时可能需要检测横向边缘和纵向边缘，或者其他特征，所以我们可以使用多个过滤器。
上图则使用了两个过滤器，得到的特征矩阵大小为 4 * 4 * 2.
七、单层卷积网络
如图示得到4 * 4的矩阵后还需要加上一个变差\(b_n\)，之后还要进行非线性转换，即用ReLU函数。因此假如在某一卷积层中使用了10个3 * 3的过滤器，那么一共有\((3*3+1)*10=280\)个参数。
下面总结了各项参数的大小和表示方法：
-
过滤器大小：\(f^{[l]}\)
-
填充 padding：\(p^{[l]}\)
-
步长 stride：\(s^{l}\)
-
激活函数: \(a^{l}:n_H^{l} * n_W^{l} * n_c^{l}\)
-
权重Weight: \(f^{l}*f^{l}*n_c^{[l-1]}*n_c^{[l]}\)
-
偏差bias：\(1*1*1*n_c^{[l]}\)
-
输入矩阵(height* width* channels)： \(n_H^{l-1} * n_W^{l-1} * n_c^{l-1}\)
- 每一卷积层的过滤器的通道的大小 = 输入层的通道大小
-
输出矩阵(height* width* channels)： \(n_H^{l} * n_W^{l} * n_c^{l}\)
- 输出层的通道的大小 = 过滤器的个数
输出层与输入层计算公式：
\(n_{H/W}^{[l]}=[\frac{n_{H/W}^{[l-1]}+2p^{[l]}-f^{[l]}}{s^{[l]}}+1]\)
八、简单卷积网络示例
上图简单介绍了卷积网络的计算过程，需要再介绍的一点是最后一层的全连接层，即将7 * 7 * 40的输出矩阵展开，得到1960个节点，然后再采用逻辑回归或Softmax来进行预测。
另外从上面的例子还可以看到，在一般的卷积神经网络中，每一层的矩阵的height和width是逐渐减小的，而channel则是增加的。
卷积神经网络中常见的三中类型的layer：
- Convolution (Conv 卷积层)
- Pooling (Pool 池化层)
- Fully connected (FC 全连接层)
九、池化层
Pooling layer(池化层)的作用是压缩数据，加速运算，同时提高所提取特征的鲁棒性。
- Max Pooling
即选取最大的
- Average Pooling
即计算平均值，但是这个用的不多，因为这个会加入更多的计算量
注意：一般来说池化层是不需要Padding的，所以p都会置为0
十、卷积神经网络示例
注意：在吴大大的视频中将 Conv layer和 Pooling layer合并在一起视为一层，因为池化层没有参数(因为池化层的过滤器的无参数，而且其大小可以事先确定好)。 但是在其他文献中可能会把池化层算成单独的层，所以具体视情况而定。
十一、为什么使用卷积？
卷积相比于全连接的好处最直观的就是使用的参数更少：
如图示，加入我们有一个32 * 32 * 3的图片，经过6个5 * 5的过滤器后可以得到28 * 28 * 6的矩阵，此时我们只需要 \(5*5*6=150\)个参数就可以了。而如果不用卷积呢？
首先32 * 32 *3 = 3072，假如输出矩阵也要是28 * 28 * 6，即4704个节点，如果全连接的话那么就需要4704 * 3072个权
重参数，所以这个对比还是很明显的了。
至于为什么可以保证参数少的同时也保证了有效性，是因为如下两个原因
- 参数共享(Parameter sharing)
- 稀疏连接(Sparsity of connections)
参数共享：例如我们希望获取图像的竖向特征，那么我们只需加入一个可以检测竖向特征的过滤器就够了。
稀疏连接：如上图所示，输出矩阵左上角的0只与输入矩阵左上角的9个元素有关，其他的值不会干扰。输出矩阵其他位置也一样。所以这就是为什么卷积网络也可以捕捉到图像平移的特征，例如将图片中的猫向左平移几个像素点后，依然能够识别正确。
