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在 Neural Network 中我们介绍了人工神经网络这样的全连接网络，它是深度学习的基础。然而，全连接网络存在着参数数量过多等问题，本文将介绍 卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN) 。

关于卷积相关的数学知识，可以查看卷积

核心思想

局部感知

权值共享

下采样操作

基本组成

Convolution Layer

卷积层的运算过程如下图，用一个卷积核扫完整张图片：

这个过程我们可以理解为我们使用一个过滤器（卷积核）来过滤图像的各个小区域，从而得到这些小区域的特征值。

在具体应用中，往往有多个卷积核，可以认为，每个卷积核代表了一种图像模式，如果某个图像块与此卷积核卷积出的值大，则认为此图像块十分接近于此卷积核。如果我们设计了6个卷积核，可以理解：我们认为这个图像上有6种底层纹理模式，也就是我们用6中基础模式就能描绘出一副图像。以下就是25种不同的卷积核的示例：

总结：卷积层的通过卷积核的过滤提取出图片中局部的特征，跟上面提到的人类视觉的特征提取类似。

这一层就是卷积神经网络最重要的一个层次，也是“卷积神经网络”的名字来源。
在这个卷积层，有两个关键操作：

局部关联。每个神经元看做一个滤波器(filter)
窗口(receptive field)滑动， filter对局部数据计算

先介绍卷积层遇到的几个名词：

深度/depth（解释见下图）
步长/stride （窗口一次滑动的长度）
填充值/zero-padding

填充值是什么呢？以下图为例子，比如有这么一个5 * 5的图片（一个格子一个像素），我们滑动窗口取2*2，步长取2，那么我们发现还剩下1个像素没法滑完，那怎么办呢？

那我们在原先的矩阵加了一层填充值，使得变成6*6的矩阵，那么窗口就可以刚好把所有像素遍历完。这就是填充值的作用。

卷积的计算（注意，下面蓝色矩阵周围有一圈灰色的框，那些就是上面所说到的填充值）

这里的蓝色矩阵就是输入的图像，粉色矩阵就是卷积层的神经元，这里表示了有两个神经元（w0,w1）。绿色矩阵就是经过卷积运算后的输出矩阵，这里的步长设置为2。

蓝色的矩阵(输入图像)对粉色的矩阵（filter）进行矩阵内积计算并将三个内积运算的结果与偏置值b相加（比如上面图的计算：2+（-2+1-2）+（1-2-2） + 1= 2 - 3 - 3 + 1 = -3），计算后的值就是绿框矩阵的一个元素。

下面的动态图形象地展示了卷积层的计算过程：

参数共享机制

在卷积层中每个神经元连接数据窗的权重是固定的，每个神经元只关注一个特性。神经元就是图像处理中的滤波器，比如边缘检测专用的Sobel滤波器，即卷积层的每个滤波器都会有自己所关注一个图像特征，比如垂直边缘，水平边缘，颜色，纹理等等，这些所有神经元加起来就好比就是整张图像的特征提取器集合。
需要估算的权重个数减少: AlexNet 1亿 => 3.5w
一组固定的权重和不同窗口内数据做内积: 卷积

Pooling Layer

池化层简单说就是下采样，他可以大大降低数据的维度。其过程如下：

上图中，我们可以看到，原始图片是20×20的，我们对其进行下采样，采样窗口为10×10，最终将其下采样成为一个2×2大小的特征图。

之所以这么做的原因，是因为即使做完了卷积，图像仍然很大（因为卷积核比较小），所以为了降低数据维度，就进行下采样。

总结：池化层相比卷积层可以更有效的降低数据维度，这么做不但可以大大减少运算量，还可以有效的避免过拟合。

池化层夹在连续的卷积层中间，用于压缩数据和参数的量，减小过拟合。
简而言之，如果输入是图像的话，那么池化层的最主要作用就是压缩图像。

这里再展开叙述池化层的具体作用。

特征不变性，也就是我们在图像处理中经常提到的特征的尺度不变性，池化操作就是图像的resize，平时一张狗的图像被缩小了一倍我们还能认出这是一张狗的照片，这说明这张图像中仍保留着狗最重要的特征，我们一看就能判断图像中画的是一只狗，图像压缩时去掉的信息只是一些无关紧要的信息，而留下的信息则是具有尺度不变性的特征，是最能表达图像的特征。
特征降维，我们知道一幅图像含有的信息是很大的，特征也很多，但是有些信息对于我们做图像任务时没有太多用途或者有重复，我们可以把这类冗余信息去除，把最重要的特征抽取出来，这也是池化操作的一大作用。
在一定程度上防止过拟合，更方便优化。

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池化层用的方法有Max pooling 和 average pooling，而实际用的较多的是Max pooling。
这里就说一下Max pooling，其实思想非常简单。

img

对于每个2 * 2的窗口选出最大的数作为输出矩阵的相应元素的值，比如输入矩阵第一个2 * 2窗口中最大的数是6，那么输出矩阵的第一个元素就是6，如此类推。

ReLU Layer

把卷积层输出结果做非线性映射。

CNN采用的激励函数一般为ReLU(The Rectified Linear Unit/修正线性单元)，它的特点是收敛快，求梯度简单，但较脆弱，图像如下。

激励层的实践经验：
①不要用sigmoid！不要用sigmoid！不要用sigmoid！
② 首先试RELU，因为快，但要小心点
③ 如果2失效，请用Leaky ReLU或者Maxout
④ 某些情况下tanh倒是有不错的结果，但是很少

Fully Connected Layer

这个部分就是最后一步了，经过卷积层和池化层处理过的数据输入到全连接层，得到最终想要的结果。

经过卷积层和池化层降维过的数据，全连接层才能”跑得动”，不然数据量太大，计算成本高，效率低下。

典型的 CNN 并非只是上面提到的3层结构，而是多层结构，例如 LeNet-5 的结构就如下图所示：

卷积层 – 池化层- 卷积层 – 池化层 – 卷积层 – 全连接层

Loss Layer

一般CNN结构依次为

1.INPUT
2.[[CONV -> RELU]*N -> POOL?]*M
3.[FC -> RELU]*K
4.FC

经典网络

LeNet-5

AlexNet

VGGNet

可视化资料

CNN Explainer https://poloclub.github.io/cnn-explainer/
https://ezyang.github.io/convolution-visualizer/ 可以调整参数看输出变化 3D Visualization
https://adamharley.com/nn_vis/cnn/3d.html 3D 视角展示 CNN 结构