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卷积神经网络

计算机视觉问题

计算机视觉（computer vision）是因深度学习而快速发展的领域之一，它存进了如自动驾驶、人脸识别等应用的发展，同时计算机视觉领域的发展还可以给其他领域提供思路。

计算机视觉应用的实例：图片分类（识别是不是一只猫）、目标检测（检测途中汽车行人等）、图片风格转移等等。

同时，计算机视觉领域也面临着一个挑战：图片数据转换为特征向量太大了。比如一张像素为1000*1000的图，转换成向量后有3百万的输入的特征，这就导致了

• 神经网络的结构非常复杂，参数非常多。在参数如此多的情况下，没有办法获得足够的数据来防止过度拟合。
• 庞大的计算量，没有足够的性能来计算这么多的参数。

因此为了处理这样大的数据量，需要进行卷积运算。卷积运算是卷积神经网络（convolutional neural network, CNN）中非常重要的一块。

卷积运算

边缘检测 Edge detection example

卷积运算是卷积神经网络的重要基石之一。

当给到你一个图片，希望让电脑搞清楚这张图片里有什么物体，可能首先需要做的是对图片进行边缘检测（Edge detection）。

边缘检测分为：垂直边缘（vertical edges）、水平边缘（horizontal edges）

实现垂直边缘检测，需要通过卷积运算来实现。比如检测一张6x6像素的灰度图片的垂直边缘，需要通过一个3x3的矩阵称之为过滤器（filter）或卷积核（kernel）。将原始图片与过滤器（filter）矩阵做卷积运算（convolution），得到一个4x4的图图片。具体的做法是，将filter矩阵贴在原始图片上移动（从左到右，从上到下），每次贴好后逐元素相乘之后求和，得到的结果为4x4矩阵对应的元素。

下面是一个gif展示了卷积运算的操作

、

下图是一个比较好理解的例子，通过卷积运算，原始图片中左右两侧为不同颜色的垂直边缘线，变成了4x4图像中间的空白，代表边缘所在的位置。（在比较大的图片中，边缘会比较明显而不是这种小图中空白柱子）

比较简单的理解，卷积核（filter）矩阵的两边的左右数字是相反的，如果图片中存在像素值相差比较大的两边（垂直边缘），那么原始图片上这两部分和卷积核的内积，差值就会比较大，那么在得到的新图片上颜色差距就会很明显，从而检验出来边缘。比较简单的理解，卷积核（filter）矩阵的两边的左右数字是相反的，如果图片中存在像素值相差比较大的两边（垂直边缘），那么原始图片上这两部分和卷积核的内积，差值就会比较大，那么在得到的新图片上颜色差距就会很明显，从而检验出来边缘。

更多边缘检测的例子

正边和负边检测（positive and negative edges），也就是从亮到暗和暗到亮的区别。

从亮到暗，检测后中间就是亮的；从暗到亮，检测后中间就是暗的。如果不在明暗变化的区别，可以输出矩阵的绝对值。

垂直边缘检测，就是用左右两边互为相反数。水平边缘检测就是上下互为相反数（矩阵转置了一下）

当然，filter的选择并不是固定的，还有Sobel滤波器、Scharr滤波器，其值在下面的途中。他们加强了中心点的权重，使算法更健壮（robust）。

滤波器中的值还可以设置为参数，通过模型训练来得到。这样，神经网络使用反向传播算法可以学习到一些低级特征，从而实现对图片所有边缘特征的检测，而不仅限于垂直边缘和水平边缘。

填充 Padding

为了构建深度神经网络，需要通过Padding对基本的卷积运算进行改进。那么为什么要填充呢？

1. 原图片在于卷积filter进行卷积运算的时候变小了，比如上面例子中6x6的图片经过卷积运算后变成了4x4的图片。那么每经过一次卷积运算，图片就会缩小一次，最后可能缩小到1x1。
2. 图片中边界像素的运算次数要小于中心像素，比如左上角的像素只参加了一次卷积运算，那么在一次又一次的卷积运算中，会丢图片边缘的信息。

为了解决上面的两个问题，就需要进行图像的填充（Padding）操作。具体的做法就是在图像周围填充一圈为0的像素。填充后的图片再进行卷积运算后其维度就会保持原始图片的大小。如下图所示，此时padding，p=1。

上述的填充操作一方面在卷积运算后保持了图像的大小，另一方面也使得边界像素参加了更多次运算，缓解了边缘信息丢失的影响。

考虑到是否填充，卷积运算分为两种

• Valid convolutions：就是不填充
• Same convolutions：填充之后，保持输入输出图像大小不变

需要注意的是通常在计算机视觉领域，卷积filter的维度大小都是取奇数。一来不会导致填充不对称，二来奇数维度的过滤器会有一个中心点，在计算机视觉领域会方便点。

填充像素的层数可以不是1，要实现Same convolutions，那么填充应该为\(p=\frac{f-1}{2}\)。其中\(f\)代表卷积filter的维度（步长=1）。

卷积的步长

在前面的例子中，每次filter都是移动一个格，也就是步长（stride）为1。在卷积运算中，允许移动的举例大于1。

对于一个nxn的图像，fxf的filter，填充p层，和步长为s，进行卷积计算后，其维度应该是\((\biggl\lfloor \frac{n+2p-f}{s}+1 \biggr\rfloor \times \biggl\lfloor \frac{n+2p-f}{s}+1 \biggr\rfloor)\)，计算结果不为整数的，向下取整就好了，因为我们不计算filter没有完全落在图像上的情况。就下图这种情形。

关于卷积和和互相关（cross-correlation）的说明：严格来说，前面介绍的卷积操作和数学上定义的卷积有所差别。数学上的卷积，在卷积进行前要线对fiter进行旋转操作，然后在进行互相关操作（就上面说的逐元素乘积求和）。旋转操作后，满足结合律。

但是在深度学中，对卷积的定义就是上面提到的filter贴合好后，逐元素乘积求和（尽管在数学上这成为互相关）。但这并不会影响在编程中要实现的东西。因为毕竟filter中的数据都是后面要在网络中进行加权求和中学习的参数，所以不旋转影响不大，而且简化代码。

三维卷积

上面介绍的卷积都是应用在二维的灰度图片上，现在将卷积应用于三维上（比如RGB图片上）

RBG图片卷积运算的例子

RGB图片是通过三个颜色通道叠加在一起，也就是三个矩阵叠加，所以原始图片的大小就是6x6x3。对应的，用来做卷积运算的filter也要扩充到三维。要注意的是，在进行卷积运算时，原始图片的通道数（channel）要和filter的通道数一致。

这种情况下，运算的规则是，将这个三维的filter的三个channel对应贴合到原始图片的三个channel上，在每个通道上对应做卷积运算，再把三个通道运算的和作为整体的运算结果，写入到结果矩阵对应位置。

如果仅关注一种颜色的边界，如红色，则可以考虑把filter上对应绿色和蓝色的通道上矩阵全部设为0矩阵。如果RGB三种颜色的边界都考虑，那就这是filter三个通道的矩阵都正常设置。

如果想有多个过滤器怎么办？（就是同时检测垂直、水平或其他方向的边界）。可以应用多个filter（Multi filters是构建CNN的重要思想。）

总结一下维度，原始图片维度是\(n * n *n\)，过滤器维度是\(f*f*n_c\)，那么得到的结果维度应该是$(n-f+1) (n-f+1)n'_c \(，\)n'_c$是使用filter的个数。

最后要简要说明\(n_c\)这个参数可以称为channel（通道）或者是深度（depth）。

单层卷积网络

一个单层卷积神经网络例子如下

把我们前面学到的神经网络和多过滤器结合起来。这里一个filter就像是一层神经网络中的一个神经单元，每一个filter是对一个特征的检测，进行卷积操作就像是加上权重参数W。进行卷积运算之后加上偏置b，并应用非线性函数RelU，就得到了这一神经单元的输出，把这一层每个filter（神经单元）的输出结合起来就得到了该层网络（卷积层）的输出。

在上图的例子中，使用了两个filter也就是检测了两个特征，最终得到了4x4x2的输出。如果使用10个过滤器，堆叠在一起就会得到4x4x10的输出。

如上图的例子，每个filter都是3x3x3，那么通过卷积计算检测一个特征就需要\(3*3*3+1\)个参数（1个bais）；那么相应的，10个filter就有280个参数。

对于卷积计算参数的个数是固定不变的，也就是无论输入的图片是多大，参数都是固定的是比较少的。这是也是卷积神经网络的一个特性可以避免过拟合。

总结卷积神经网络的符号(第l层为卷积层)：

• $f^{[l]} $：filter 的大小，就是矩阵的列数或行数，一般是行列式。

• \(p^{[l]}\)：填充的层数

• \(s^{[l]}\)：卷积计算的步长

• \(n_C^{[l]}\)：filter的数量

• \(n_H^{[l]}*n_W^{[l]}*n_C^{[l-1]}\)：输入图形的维度，其通道数与上一层filter数相等

• \(n_H^{[l]}*n_W^{[l]}*n_C^{[l]}\)：输出图形的维度，通道数与本层filter相等

• 每层的filter的维度：\(f^{[l]}*f^{[l]}*n_C^{[l-1]}\)，本层filter通道数应该与本层输入图片通道数一致

• Activation：\(a^{[l]}\rightarrow n_H^{[l]}*n_W^{[l]}*n_c^{[l]}\)，与本层输出图片维度一致，\(A^{[l]}\)的维度是\(m \times n_H^{[l]} \times n_W^{[l]} \times n_C^{[l]}\)

• 权重参数W个数：\(f^{[l]}*f^{[l]}*n_c^{[l-1]}*n_C^{[l]}\)，本层filter个数再乘以每个filter中元素个数

• 偏置b个数：\(n_C^{[l]}-(1,1,1,n_C^{[l]})\)

• 其中$n_H^{[l]}=\biggl\lfloor \frac{n_H^{[l-1]}+2p-f^{[l]}}{s{[l]}}+1 \biggr\rfloor $ \(n_W^{[l]}=\biggl\lfloor \frac{n_W^{[l-1]}+2p^{[l]}-f^{[l]}}{s^{[l]}}+1 \biggr\rfloor\)

简单卷积网络示例

下图为一个简单的CNN

• 输入图片的维度是39x39x3

• 最后输出的图片，可以将其展开（flatten or unroll）成一个向量，再交给logistic单元或softmax单元处理，实现分类。

• 像上图示例，图片的高度\(n_H^{[l]}\)和图片宽度\(n_W^{[l]}\)随着层数的增加逐渐减低，但是通道数\(n_C^{[l]}\)不断增加。许多卷积网络也都可以看到这种趋势（为什么这样处理，看到弹幕这么说）

典型的卷积网络构成

通常由三层

• 卷积层，Convolution (CONV)

• 池化层，Pooling (POOL)

• 全连接层，Fully connected (FC)

  全连接层，指的是每一个结点都与上一层的所有结点相连，用来把前面几层提取到的特征综合起来。由于其全连接的特性，一般全连接层的参数也是最多的。https://zhuanlan.zhihu.com/p/552186222

池化层 Pooling Layers

https://zhuanlan.zhihu.com/p/545293528

除了卷积层以外，卷积网络还经常用到池化层（Pooling layer）。池化，也叫Pooling，其本质其实就是采样，池化对于输入的图片，选择某种方式对其进行压缩，以加快神经网络的运算速度。这里说的某种方式，其实就是池化的算法，比如最大池化或平均池化。

池化层的示意图（Max pooling）：

池化的过程类似于卷积。

上图表示的就是对一个图片领域内的值，采用2x2的池化核，步长为2进行扫描，选择最大值输出，称为最大池化（Max pooling）。

最大池化Max pool，常用的参数为filter=2，stride=2，这样的参数处理的效果就是输出图片的高度、宽度减半，通道数不变。因为我们会对每层通道都进行池化操作。池化操作一般padding=0，池化的目的就是缩小图片提取特征，这和填充的目的相悖。

还有一种平均池化，和最大池化类似，就是求区域内的平均值作为输出结果。一般来将，最大池化用得比较多。

因为在池化操作中，池化filter只负责划分出某次池化操作需要的图片上的范围，filter没有数据计算，在训练过程中也就没有权重参数需要学习。

在通道这个维度上，每次池化操作都是独立的。

池化层的优点是：

• 缩小了图片，但保留了图像的特征，加快计算的速度。
• 池化层没有要学习的参数，因此在训练的过程中，可以在一定程度上防止过拟合的发生。

卷积神经网络示例

下面是一个用来识别手写数字的卷积神经网络架构（LeNet-5）：

• 一般把Conv Layer 和 Pooling Layer合在一起算一层，因为池化层没有参数训练。但是也有人分成两层
• 常见的网络结构Conv ==> Pool ==> Conv ==> Pool ==> FC ==> FC ==> softmax
• 在上图的例子中，把layer2得到的volume展开后，输入给全连接层。在FC3中，就像NN一样，有400个输入，120个神经单元。
• 卷积神经网络中，图片的高度和宽度是在不断递减的，通道数是在不断增加的
• 关于超参数的选择，尽量参考论文的经验。

整个例子的参数个数如下：

	Activation shape	Activation Size	#parameters
Input:	(32, 32, 3)	3072	0
CONV1(f=5, s=1)	(28, 28, 6)	4704	156 (=5x5x6+6)
POOL1	(14, 14, 6)	1176	0
CONV2(f=5, s=1)	(10, 10, 16)	1600	416 (=5x5x16+16)
POOL2	(5, 5, 16)	400	0
FC3	(120, 1)	120	48120 (=120*400+120)
FC4	(84, 1)	84	10164 (=84*120+84)
Softmax	(10, 1)	10	850 (=10*84+10)

• 池化层没有要学习的参数，全连接层要学习的参数最多。
• 激活函数输出的值整体在下降

为什么要用卷积？

CONV Layer相比一般神经网络的全连接层的优势：

• 参数共享（parameter sharing） 以上一节的例子为例，如果在第一层就用FC的话，参数可达4704x3070 + 4704个，这个数字已经膨胀到了1400万，而这还仅是训练一个只有32x32像素的小图片。 而CONV Layer只有156个参数。 参数共享为什么可行呢？一个feature检测器，即filter（比如垂直边界检测）在图片的一个地方适用，也很可能在图片的其他地方适用（在这一点上很像transfering learning或multi-task learning）。这种共享不仅在底层feature有用，也在高层feature有用（比如检测眼睛）。
• 稀疏连接（sparsity of connections） 稀疏连接是指，输出中的每个单元仅和输入的一个小分区相关，比如输出的左上角的像素仅仅由输入左上角的9个像素决定（假设filter大小是3*3），而其他输入都不会影响。

卷积神经网络可以通过这两种机制减少参数，以便我们用更小的训练集来训练它，从而预防过度拟合。