卷积神经网络

卷积神经网络

起源：喵星人的视觉皮层

    1958 年，一群奇葩的神经科学家把电极插到喵星人的脑子里，去观察视觉皮层的活动。从而推断生物视觉系统是从物体的小部分入手，

经过层层抽象，最后拼起来送入处理中心，减少物体判断的可疑性的。这种方法就与BP网络背道而驰。

BP网络认为，大脑每个神经元都要感知物体的全部（全像素全连接）,并且只是简单的映射，并没有对物体进行抽象处理。

谁对谁错呢？卷积神经网络（Convolution Neural Network）最先证明了BP网络的不科学性。

  CNN起源于机器学习大师LeCun在80年代末搞的支票数字识别神经网络。他在BP网络前面尝试了多层的卷积、降采样、以及部分网络连接的创意，

结果训练效果好得惊人。LeCun的导师是Hinton，也就是最先在2006年提出深度学习（Deep Learning）概念的计算机科学家兼神经科学家。

LeCun本人也算是半个神经科学家。师徒二人携手撑起了深度学习的蓝天。

 

Part I：图像的卷积与降采样

     卷积运算具有平滑、模糊信号的效果，它对原始信号与卷积核邻域做了乘积加权和。一幅图像可分为噪声、细节两部分。

卷积运算合并了信号部分内容之后，起到了消除噪声，突出细节两个作用。同时，卷积运算的参数也是可以由机器自动训练的，这就成为神经网络的瞄准对象。

CNN中使用的是二维卷积，卷积方式很简单：参考http://deeplearning.stanford.edu/wiki/index.php/Feature_extraction_using_convolution

上图为vaild卷积，还有一种full卷积，考虑将卷积核移到源图像之外，vaild卷积维度会变小，full会变大（一般不用）

vaild:Dimnew=Dimold−filter.Dim+1

full:Dimnew=Dimold+filter.Dim−1

当然这是后话。二维离散卷积的定义是这样的：g与f顺序是不一样的

上图中黄色3*3卷积核实际上在做滑动乘积之前，被旋转了180度。

⎡⎣⎢135246⎤⎦⎥=>⎡⎣⎢642531⎤⎦⎥

所以手写卷积时，千万不要忘记了卷积核旋转。

 

降采样（Pooling）对应一个size，假如是(2,2)，那么每2X2的像素会被合并为1个像素。

有取最大值作为新值的，以便更加突出特征的Max Pooling方法。

也有取均值作为新值的，以便更加平滑特征的Mean Pooling方法。

当然这些都不是重点，pooling强制把像素降了一个量级，①降低了计算量②保证了缩放、旋转不变性[?]

 

Part II   CNN的结构

 

这是LeCun的LeNet5结构，通常拿来作为CNN的教学。

首先要区分一个概念，filter和feature map。feature map就是上面的一块大板子，size是28x28

filter指的是卷积核，filter的数量决定着下一层大板子的数量，size就是卷积核大小。

卷积嵌入到神经网络里，就有了一个权值共享的概念。传统的神经网络，对28x28像素，会有784个神经元，如果下一层也有784个神经元，那么就需要784*784个权值。

但是卷积神经网络里，将卷积核权值看成是神经元，一个卷积核才多大？5x5=25罢了，784个像素共用这25个神经元，滚来滚去，也就是一套权值。

研究表明，卷积核数量与数据量规模没有多少关系，而且根据视觉系统的特性，随着层数加深，才有必要增加核数，且不多。比如LeNet的卷积层也就6、16个核

这样，全连接过程中，尽管需要Num（层K）*Num（层K-1）套权值，但是由于每层feature map数量有限，且一套权值规模又不大，所以训练起来很轻松。

Theano的注释中用4D张量（其实就是个大小为4的数组）来表示结构转移,假设一个batch有500张图片，都是黑白单通道。

(图片数，map数，高，宽)---image/input/output, input的map数即为通道数，比如RGB有三个通道，视为3。

(filter数，map数，高，宽)---filter

I/O的转移如下：(500,1,32,32)=>(500,6,28,28)=>(500,6,14,14)=>(500,16,10,10)=>(500,16,5,5)=>(500,120,1,1)，下面就是隐层+分类器了。

filter的转移如下：(6,1,5,5)=>(16,6,5,5)=>(120,16,5,5)

值得注意的是卷积之后的sigmoid，以及偏置b。

因为是全连接，前一层的map卷积并且结果叠加后，送入sigmoid处理。新一层的每张map的每个像素统一加上b。（Theano中把一维b转成了四维）

也就是说b等于filter的数量，而不是和W的数量一致。tornadomeet中的解释是错的。

当然，因为下面还有降采样，所以sigmoid、偏置b可以留到降采样结束后再加上去，形成下一层的input。

LeCun在构建S2的6个map=>C3的16个map时，并没有采用全连接的方式，而是采用更切合生物视觉的部分连接。参考tornadomeet的解释。

这样，更好的区分了特征，但是不太好实现。所以Theano干脆就利用conv2d封装的全连接写法搞了个简易版本。

若是具体实现的话，我觉得首先得把output的map给reshape，然后利用这些map，在conv2d手艹16个单map，组合成下一层的input