【深度学习系列】卷积神经网络CNN原理详解(一)——基本原理（2）

本文为【深度学习系列】卷积神经网络CNN原理详解(一)——基本原理（2）

从上文的计算中我们可以看到，同一层的神经元可以共享卷积核，那么对于高位数据的处理将会变得非常简单。并且使用卷积核后图片的尺寸变小，方便后续计算，并且我们不需要手动去选取特征，只用设计好卷积核的尺寸，数量和滑动的步长就可以让它自己去训练了，省时又省力啊。

为什么卷积核有效？

那么问题来了，虽然我们知道了卷积核是如何计算的，但是为什么使用卷积核计算后分类效果要由于普通的神经网络呢？我们仔细来看一下上面计算的结果。通过第一个卷积核计算后的feature_map是一个三维数据，在第三列的绝对值最大，说明原始图片上对应的地方有一条垂直方向的特征，即像素数值变化较大；而通过第二个卷积核计算后，第三列的数值为0，第二行的数值绝对值最大，说明原始图片上对应的地方有一条水平方向的特征。

仔细思考一下，这个时候，我们设计的两个卷积核分别能够提取，或者说检测出原始图片的特定的特征。此时我们其实就可以把卷积核就理解为特征提取器啊！现在就明白了，为什么我们只需要把图片数据灌进去，设计好卷积核的尺寸、数量和滑动的步长就可以让自动提取出图片的某些特征，从而达到分类的效果啊！

注：1.此处的卷积运算是两个卷积核大小的矩阵的内积运算，不是矩阵乘法。即相同位置的数字相乘再相加求和。不要弄混淆了。

2.卷积核的公式有很多，这只是最简单的一种。我们所说的卷积核在数字信号处理里也叫滤波器，那滤波器的种类就多了，均值滤波器，高斯滤波器，拉普拉斯滤波器等等，不过，不管是什么滤波器，都只是一种数学运算，无非就是计算更复杂一点。

3.每一层的卷积核大小和个数可以自己定义，不过一般情况下，根据实验得到的经验来看，会在越靠近输入层的卷积层设定少量的卷积核，越往后，卷积层设定的卷积核数目就越多。具体原因大家可以先思考一下，小结里会解释原因。

• 池化层（Pooling Layer）

通过上一层2*2的卷积核操作后，我们将原始图像由4*4的尺寸变为了3*3的一个新的图片。池化层的主要目的是通过降采样的方式，在不影响图像质量的情况下，压缩图片，减少参数。简单来说，假设现在设定池化层采用MaxPooling，大小为2*2，步长为1，取每个窗口最大的数值重新，那么图片的尺寸就会由3*3变为2*2：(3-2)+1=2。从上例来看，会有如下变换：

通常来说，池化方法一般有一下两种：

• MaxPooling：取滑动窗口里最大的值

• AveragePooling：取滑动窗口内所有值的平均值

为什么采用Max Pooling？

从计算方式来看，算是最简单的一种了，取max即可，但是这也引发一个思考，为什么需要Max Pooling，意义在哪里？如果我们只取最大值，那其他的值被舍弃难道就没有影响吗？不会损失这部分信息吗？如果认为这些信息是可损失的，那么是否意味着我们在进行卷积操作后仍然产生了一些不必要的冗余信息呢？

其实从上文分析卷积核为什么有效的原因来看，每一个卷积核可以看做一个特征提取器，不同的卷积核负责提取不同的特征，我们例子中设计的第一个卷积核能够提取出“垂直”方向的特征，第二个卷积核能够提取出“水平”方向的特征，那么我们对其进行Max Pooling操作后，提取出的是真正能够识别特征的数值，其余被舍弃的数值，对于我提取特定的特征并没有特别大的帮助。那么在进行后续计算使，减小了feature map的尺寸，从而减少参数，达到减小计算量，缺不损失效果的情况。

不过并不是所有情况Max Pooling的效果都很好，有时候有些周边信息也会对某个特定特征的识别产生一定效果，那么这个时候舍弃这部分“不重要”的信息，就不划算了。所以具体情况得具体分析，如果加了Max Pooling后效果反而变差了，不如把卷积后不加Max Pooling的结果与卷积后加了Max Pooling的结果输出对比一下，看看Max Pooling是否对卷积核提取特征起了反效果。

Zero Padding

所以到现在为止，我们的图片由4*4，通过卷积层变为3*3，再通过池化层变化2*2，如果我们再添加层，那么图片岂不是会越变越小？这个时候我们就会引出“Zero Padding”（补零），它可以帮助我们保证每次经过卷积或池化输出后图片的大小不变，如，上述例子我们如果加入Zero Padding，再采用3*3的卷积核，那么变换后的图片尺寸与原图片尺寸相同，如下图所示：

通常情况下，我们希望图片做完卷积操作后保持图片大小不变，所以我们一般会选择尺寸为3*3的卷积核和1的zero padding，或者5*5的卷积核与2的zero padding，这样通过计算后，可以保留图片的原始尺寸。那么加入zero padding后的feature_map尺寸 =( width + 2 * padding_size - filter_size )/stride + 1

注：这里的width也可换成height，此处是默认正方形的卷积核，weight = height，如果两者不相等，可以分开计算，分别补零。

• Flatten层 & Fully Connected Layer

到这一步，其实我们的一个完整的“卷积部分”就算完成了，如果想要叠加层数，一般也是叠加“Conv-MaxPooing",通过不断的设计卷积核的尺寸，数量，提取更多的特征，最后识别不同类别的物体。做完Max Pooling后，我们就会把这些数据“拍平”，丢到Flatten层，然后把Flatten层的output放到full connected Layer里，采用softmax对其进行分类。

• 小结

　　这一节我们介绍了最基本的卷积神经网络的基本层的定义，计算方式和起的作用。有几个小问题可以供大家思考一下：　

1.卷积核的尺寸必须为正方形吗？可以为长方形吗？如果是长方形应该怎么计算？

2.卷积核的个数如何确定？每一层的卷积核的个数都是相同的吗？ 

3.步长的向右和向下移动的幅度必须是一样的吗？

如果对上面的讲解真的弄懂了的话，其实这几个问题并不难回答。下面给出我的想法，可以作为参考：

1.卷积核的尺寸不一定非得为正方形。长方形也可以，只不过通常情况下为正方形。如果要设置为长方形，那么首先得保证这层的输出形状是整数，不能是小数。如果你的图像是边长为 28 的正方形。那么卷积层的输出就满足 [ (28 - kernel_size)/ stride ] + 1 ，这个数值得是整数才行，否则没有物理意义。譬如，你算得一个边长为 3.6 的 feature map 是没有物理意义的。 pooling 层同理。FC 层的输出形状总是满足整数，其唯一的要求就是整个训练过程中 FC 层的输入得是定长的。如果你的图像不是正方形。那么在制作数据时，可以缩放到统一大小（非正方形），再使用非正方形的 kernel_size 来使得卷积层的输出依然是整数。总之，撇开网络结果设定的好坏不谈，其本质上就是在做算术应用题：如何使得各层的输出是整数。

2.由经验确定。通常情况下，靠近输入的卷积层，譬如第一层卷积层，会找出一些共性的特征，如手写数字识别中第一层我们设定卷积核个数为5个，一般是找出诸如"横线"、“竖线”、“斜线”等共性特征，我们称之为basic feature，经过max pooling后，在第二层卷积层，设定卷积核个数为20个，可以找出一些相对复杂的特征，如“横折”、“左半圆”、“右半圆”等特征，越往后，卷积核设定的数目越多，越能体现label的特征就越细致，就越容易分类出来，打个比方，如果你想分类出“0”的数字，你看到这个特征，能推测是什么数字呢？只有越往后，检测识别的特征越多，试过能识别这几个特征，那么我就能够确定这个数字是“0”。

3.有stride_w和stride_h，后者表示的就是上下步长。如果用stride，则表示stride_h=stride_w=stride。

手写数字识别的CNN网络结构

上面我们了解了卷积神经网络的基本结构后，现在来具体看一下在实际数据---手写数字识别中是如何操作的。上文中我定义了一个最基本的CNN网络。如下(代码详见github)

 1 def convolutional_neural_network_org(img):
 2     # first conv layer
 3     conv_pool_1 = paddle.networks.simple_img_conv_pool(
 4         input=img,
 5         filter_size=3,
 6         num_filters=20,
 7         num_channel=1,
 8         pool_size=2,
 9         pool_stride=2,
10         act=paddle.activation.Relu())
11     # second conv layer
12     conv_pool_2 = paddle.networks.simple_img_conv_pool(
13         input=conv_pool_1,
14         filter_size=5,
15         num_filters=50,
16         num_channel=20,
17         pool_size=2,
18         pool_stride=2,
19         act=paddle.activation.Relu())
20     # fully-connected layer
21     predict = paddle.layer.fc(
22         input=conv_pool_2, size=10, act=paddle.activation.Softmax())
23     return predict

那么它的网络结构是：

conv1----> conv2---->fully Connected layer

非常简单的网络结构。第一层我们采取的是3*3的正方形卷积核，个数为20个，深度为1，stride为2，pooling尺寸为2*2，激活函数采取的为RELU；第二层只对卷积核的尺寸、个数和深度做了些变化，分别为5*5，50个和20；最后链接一层全连接，设定10个label作为输出，采用Softmax函数作为分类器，输出每个label的概率。

那么这个时候我考虑的问题是，既然上面我们已经了解了卷积核，改变卷积核的大小是否会对我的结果造成影响？增多卷积核的数目能够提高准确率？于是我做了个实验：

• 　第一次改进：仅改变第一层与第二层的卷积核数目的大小，其他保持不变。可以看到结果提升了0.06%

• 　第二次改进：保持3*3的卷积核大小，仅改变第二层的卷积核数目，其他保持不变，可以看到结果相较于原始参数提升了0.08%

　　由以上结果可以看出，改变卷积核的大小与卷积核的数目会对结果产生一定影响，在目前手写数字识别的项目中，缩小卷积核尺寸，增加卷积核数目都会提高准确率。不过以上实验只是一个小测试，有兴趣的同学可以多做几次实验，看看参数带来的具体影响，下篇文章我们会着重分析参数的影响。

　　这篇文章主要介绍了神经网络的预备知识，卷积神经网络的常见的层及基本的计算过程，看完后希望大家明白以下几个知识点：

• 为什么卷积神经网络更适合于图像分类？相比于传统的神经网络优势在哪里？

• 卷积层中的卷积过程是如何计算的？为什么卷积核是有效的？

• 卷积核的个数如何确定？应该选择多大的卷积核对于模型来说才是有效的？尺寸必须为正方形吗？如果是长方形因该怎么做？

• 步长的大小会对模型的效果产生什么样的影响？垂直方向和水平方向的步长是否得设定为相同的？

• 为什么要采用池化层，Max Pooling有什么好处？

• Zero Padding有什么作用？如果已知一个feature map的尺寸，如何确定zero padding的数目？

　　

    上面的问题，有些在文章中已经详细讲过，有些大家可以根据文章的内容多思考一下。最后给大家留几个问题思考一下：

• 为什么改变卷积核的大小能够提高结果的准确率？卷积核大小对于分类结果是如何影响的？

• 卷积核的参数是怎么求的？一开始随机定义一个，那么后来是如何训练才能使这个卷积核识别某些特定的特征呢？

• 1*1的卷积核有意义吗？为什么有些网络层结构里会采用1*1的卷积核？

　　下篇文章我们会着重讲解以下几点：

• 卷积核的参数如何确定？随机初始化一个数值后，是如何训练得到一个能够识别某些特征的卷积核的？

• CNN是如何进行反向传播的？

• 如何调整CNN里的参数？

• 如何设计最适合的CNN网络结构？

• 能够不用调用框架的api，手写一个CNN，并和paddlepaddle里的实现过程做对比，看看有哪些可以改进的？

ps：本篇文章是基于个人对CNN的理解来写的，本人能力有限，有些地方可能写的不是很严谨，如有错误或疏漏之处，请留言给我，我一定会仔细核实并修改的^_^！不接受无脑喷哦~此外，文中的图表结构均为自己所做，希望不要被人随意抄袭，可以进行非商业性质的转载，需要转载留言或发邮件即可，希望能够尊重劳动成果，谢谢！有不懂的也请留言给我，我会尽力解答的哈~

作者：Charlotte77