CS231n Lecture2-Image Classification学习笔记
一、Image Classification
Challenges
- 原始图像表示是三维亮度值数组
- Viewpoint variation(角度变化)
- Scale variation(尺寸变化)
- Deformation(变形)
- Occlusion(遮挡)
- Illumination condition(光照条件)
- Background clutter(背景干扰)
- Intra-class variation(内部同类变化)
Data-driven approach
- 这里提到的是依靠数据驱动的方法，这并不是直接创造一个算法不需要数据集，直接可以分类，而是基于训练的数据集，我们输入包含很多图片的各种类别的数据集，然后学习其中的相关性，编程一个分类器，最后要评估，就把要测试的数据送进分类器，输出类别。
二、K-nearest neighbor
1. Nearest Neighbor Classifier简介
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不像CNN(卷积神经网络)，它是不需要训练的，而是直接基于数据集，进行分类的一个算法，所以预测的时候花费的时间比较长。
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原理: 根据要预测的数据，直接与数据集所有的样本进行比较，然后选出最相似的样本，该样本的label即为预测的label。而评估它们相似的指标分为两种，这里一种是L1 distance, 即曼哈顿距离，这里应用直接是矩阵向量对应位置上元素相减。还有一种是L2 distance,即欧式距离 对应属性上相减后平方再求和最后，开根号。
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L1 VS. L2: 如何选择这两种距离作为评价指标？L2 distance 是更适用于中等变化的，可以说是更加的敏感对于数据的变化。
2. K-nearest Neighbor Classifier
- 在最邻近算法的基础上稍加修改，不再是在数据集中寻找最相似的那个样本，而是选择最相似的K个样本，然后看这K个样本的标签总数最多的那个，就代表预测的结果。
3. How to deal with Dataset
- train set、validation set、test set区别: 训练集是前期用于模型训练的数据，决定着模型的基本基调，而验证集严格意义上来讲也是训练集的一部分，因为是在训练集上划分出一小部分（一般的10%-30%），这部分前期不参与训练的过程，然后最后等训练结束后，用于模型调优，进行训练查看模型的好坏。至于测试集，是严格意义上不能用于训练的，只能用于评估模型的准确率。也就是最后的时刻才能够使用。如果用于训练，会overfit，也就是过拟合，泛化能力降低。
- Cross-validation: 当出现数据集比较小的时候，会使用一种超参数调整方法，即交叉验证，把训练集划分为K等分，然后迭代K次进行验证，求平均看模型的效果。但是一般会避免，缺点就是计算花费较大。
4. Pros and Cons of Nearest Neighbor classifier
- 优点: 简单，容易操作实现，不需要训练时间
- 缺点: 需要花费很多的计算资源，测试时间较长。
- 适用: 最近邻分类器，适用于处理低维的数据。对于多维数据不适合，像图片的处理分类。
5. Applying KNN in Practice
- 数据预处理，针对于数据特征归一化
- 如果数据是高维数据，可以考虑降维（PCA）
- 划分随机训练集，一般70~90%用于训练，其余用于验证集。这一部分取决于有多少超参数，如果超参数很多，验证集划分应该要大些。甚至可以使用交叉验证。
- 选择合适的K和distance type
三、Linear Classification
1.Introduction
- 线性分类器有两个主要的组成部分，一个是score function，用于匹配原始数据的分数，另一个是loss function，用于确保预测的分数结果与真实标签一致。
- 不在像原来的KNN，这里是通过score function把数据的有用信息保存下来，存储于参数中，这样在预测的时候，不在需要原来的数据集了，直接可以用于预测，这样就解决了KNN，实时处理需要消耗巨大计算资源的问题。
2. Interpret a linear classifier
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有权重W和偏量b，本质W是一个矩阵，每一行对应着一个类别，有多少行就有多少类别，然后对于输入数据，一般拉成一行向量vector，最后使用内积或点积，再加上偏量，输出每个类别的分数。
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也有一个小技巧，就是把偏量b，放到输入的数据中，也就是vector多加一个元素1，然后权重的矩阵多加一列。这样处理就变成了一个Matrix操作即可。
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图片的预处理，也就会把所有数据减去数据的均值，用于集中数据center your data。
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内积（inner product）和点积(dot product)是一个意思，就是矩阵乘法相当于。不是乘积，乘积是对应元素直接相乘。
3. Loss function
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Multiclass Support Vector Machine(SVM), 实际是使用Max(0, ~),查看真实样本分数与其他的分数差固定在0 ~ delta内，设置一个固定的delt。损失函数通过对训练集的预测来量化我们的误差。
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Regularization，注意，正则化函数不是数据的函数，它只是基于权值，我们发现在支持向量机中包含L2惩罚会导致有效的最大保证边界性。
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我们现在要做的就是找出使损失最小化的权重。
4. Practical Considerations
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Setting Delta, 设置delta = 1.0 可以在任何情况下使用。然后正则化系数关乎的是正则化损失，也就是对权值W的影响，还有一个参数是关乎数据损失的，他们两个参数存着这权衡。
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Relation to Binary Support Vector Machine， 这是存在二分类问题上，也就是只有两类类别。
5. Softmax classifier
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loss function,和前面的SVM的学习使一样的，但是损失函数有所不同，把原来的hinge loss换成了cross-entropy loss，即交叉熵损失函数。
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SVM vs. Softmax, 本质上讲是因为损失函数的不同导致了两者的不同，SVM计算出来的是每个目标的分数，支持向量机不关心局部特征，不关心每个目标的得分细节，但是Softmax计算出来的是每个类别的概率。
