卷積神經網路可以任意設置層數嗎

A. 卷積神經網路

1、二維互相關運算

二維互相關（cross-correlation）運算的輸入是一個二維輸入數組和一個二維核（kernel）數組，輸出也是一個二維數組，其中核數組通常稱為卷積核或過濾器（filter）。卷積核的尺寸通常小於輸入數組，卷積核在輸入數組上滑動，在每個位置上，卷積核與該位置處的輸入子數組按元素相乘並求和，得到輸出數組中相應位置的元素。圖1展示了一個互相關運算的例子，陰影部分分別是輸入的第一個計算區域、核數組以及對應的輸出。

2、二維卷積層

卷積層得名於卷積運算，但卷積層中用到的並非卷積運算而是互相關運算。我們將核數組上下翻轉、左右翻轉，再與輸入數組做互相關運算，這一過程就是卷積運算。由於卷積層的核數組是可學習的，所以使用互相關運算與使用卷積運算並無本質區別。

二維卷積層將輸入和卷積核做互相關運算，並加上一個標量偏置來得到輸出。卷積層的模型參數包括卷積核和標量偏置。

3、特徵圖與感受野

二維卷積層輸出的二維數組可以看作是輸入在空間維度（寬和高）上某一級的表徵，也叫特徵圖（feature map）。影響元素x的前向計算的所有可能輸入區域（可能大於輸入的實際尺寸）叫做x的感受野（receptive field）。

以圖1為例，輸入中陰影部分的四個元素是輸出中陰影部分元素的感受野。我們將圖中形狀為2×2的輸出記為Y，將Y與另一個形狀為2×2的核數組做互相關運算，輸出單個元素z。那麼，z在Y上的感受野包括Y的全部四個元素，在輸入上的感受野包括其中全部9個元素。可見，我們可以通過更深的卷積神經網路使特徵圖中單個元素的感受野變得更加廣闊，從而捕捉輸入上更大尺寸的特徵。

4、填充和步幅

我們介紹卷積層的兩個超參數，即填充和步幅，它們可以對給定形狀的輸入和卷積核改變輸出形狀。

4.1 填充（padding）

是指在輸入高和寬的兩側填充元素（通常是0元素），圖2里我們在原輸入高和寬的兩側分別添加了值為0的元素。

如果原輸入的高和寬是 和 ，卷積核的高和寬是 和 ，在高的兩側一共填充 行，在寬的兩側一共填充 列，則輸出形狀為：

                                                               )

我們在卷積神經網路中使用奇數高寬的核，比如3×3，5×5的卷積核，對於高度（或寬度）為大小為2k+1的核，令步幅為1，在高（或寬）兩側選擇大小為k的填充，便可保持輸入與輸出尺寸相同。

4.2 步幅（stride）

在互相關運算中，卷積核在輸入數組上滑動，每次滑動的行數與列數即是步幅（stride）。此前我們使用的步幅都是1，圖3展示了在高上步幅為3、在寬上步幅為2的二維互相關運算。

一般來說，當高上步幅為 ，寬上步幅為 時，輸出形狀為：

                                         

如果  ,那麼輸出形狀將簡化為：

                                                          

更進一步，如果輸入的高和寬能分別被高和寬上的步幅整除，那麼輸出形狀將是:(nh/sh)×(nw/sw)

                                                                              

當 時，我們稱填充為p；當 時，我們稱步幅為s。

5、多輸入通道和多輸出通道

之前的輸入和輸出都是二維數組，但真實數據的維度經常更高。例如，彩色圖像在高和寬2個維度外還有RGB（紅、綠、藍）3個顏色通道。假設彩色圖像的高和寬分別是h和w（像素），那麼它可以表示為一個3×h×w的多維數組，我們將大小為3的這一維稱為通道（channel）維。

5.1 多輸入通道

卷積層的輸入可以包含多個通道，圖4展示了一個含2個輸入通道的二維互相關計算的例子。

5.2 多輸出通道

卷積層的輸出也可以包含多個通道，設卷積核輸入通道數和輸出通道數分別為ci和co，高和寬分別為kh和kw。如果希望得到含多個通道的輸出，我們可以為每個輸出通道分別創建形狀為ci×kh×kw的核數組，將它們在輸出通道維上連結，卷積核的形狀即co×ci×kh×kw。

對於輸出通道的卷積核，我們提供這樣一種理解，一個ci×kh×kw的核數組可以提取某種局部特徵，但是輸入可能具有相當豐富的特徵，我們需要有多個這樣的ci×kh×kw的核數組，不同的核數組提取的是不同的特徵。

5.3 1x1卷積層

最後討論形狀為1×1的卷積核，我們通常稱這樣的卷積運算為1×1卷積，稱包含這種卷積核的卷積層為1×1卷積層。圖5展示了使用輸入通道數為3、輸出通道數為2的1×1卷積核的互相關計算。

1×1卷積核可在不改變高寬的情況下，調整通道數。1×1卷積核不識別高和寬維度上相鄰元素構成的模式，其主要計算發生在通道維上。假設我們將通道維當作特徵維，將高和寬維度上的元素當成數據樣本，那麼1×1卷積層的作用與全連接層等價。

6、卷積層與全連接層的對比

二維卷積層經常用於處理圖像，與此前的全連接層相比，它主要有兩個優勢：

一是全連接層把圖像展平成一個向量，在輸入圖像上相鄰的元素可能因為展平操作不再相鄰，網路難以捕捉局部信息。而卷積層的設計，天然地具有提取局部信息的能力。

二是卷積層的參數量更少。不考慮偏置的情況下，一個形狀為(ci,co,h,w)的卷積核的參數量是ci×co×h×w，與輸入圖像的寬高無關。假如一個卷積層的輸入和輸出形狀分別是(c1,h1,w1)和(c2,h2,w2)，如果要用全連接層進行連接，參數數量就是c1×c2×h1×w1×h2×w2。使用卷積層可以以較少的參數數量來處理更大的圖像。

X=torch.rand(4,2,3,5)

print(X.shape)

conv2d=nn.Conv2d(in_channels=2,out_channels=3,kernel_size=(3,5),stride=1,padding=(1,2))

Y=conv2d(X)

print('Y.shape: ',Y.shape)

print('weight.shape: ',conv2d.weight.shape)

print('bias.shape: ',conv2d.bias.shape)

輸出：

torch.Size([4, 2, 3, 5])

Y.shape:  torch.Size([4, 3, 3, 5])

weight.shape:  torch.Size([3, 2, 3, 5])

bias.shape:  torch.Size([3])

7、池化

7.1 二維池化層

池化層主要用於緩解卷積層對位置的過度敏感性。同卷積層一樣，池化層每次對輸入數據的一個固定形狀窗口（又稱池化窗口）中的元素計算輸出，池化層直接計算池化窗口內元素的最大值或者平均值，該運算也分別叫做最大池化或平均池化。圖6展示了池化窗口形狀為2×2的最大池化。

二維平均池化的工作原理與二維最大池化類似，但將最大運算符替換成平均運算符。池化窗口形狀為p×q的池化層稱為p×q池化層，其中的池化運算叫作p×q池化。

池化層也可以在輸入的高和寬兩側填充並調整窗口的移動步幅來改變輸出形狀。池化層填充和步幅與卷積層填充和步幅的工作機制一樣。

在處理多通道輸入數據時，池化層對每個輸入通道分別池化，但不會像卷積層那樣將各通道的結果按通道相加。這意味著池化層的輸出通道數與輸入通道數相等。

CNN網路中另外一個不可導的環節就是Pooling池化操作，因為Pooling操作使得feature map的尺寸變化，假如做2×2的池化，假設那麼第l+1層的feature map有16個梯度，那麼第l層就會有64個梯度，這使得梯度無法對位的進行傳播下去。其實解決這個問題的思想也很簡單，就是把1個像素的梯度傳遞給4個像素，但是需要保證傳遞的loss（或者梯度）總和不變。根據這條原則，mean pooling和max pooling的反向傳播也是不同的。

7.2 mean pooling

mean pooling的前向傳播就是把一個patch中的值求取平均來做pooling，那麼反向傳播的過程也就是把某個元素的梯度等分為n份分配給前一層，這樣就保證池化前後的梯度（殘差）之和保持不變，還是比較理解的，圖示如下：

mean pooling比較容易讓人理解錯的地方就是會簡單的認為直接把梯度復制N遍之後直接反向傳播回去，但是這樣會造成loss之和變為原來的N倍，網路是會產生梯度爆炸的。

7.3 max pooling

max pooling也要滿足梯度之和不變的原則，max pooling的前向傳播是把patch中最大的值傳遞給後一層，而其他像素的值直接被舍棄掉。那麼反向傳播也就是把梯度直接傳給前一層某一個像素，而其他像素不接受梯度，也就是為0。所以max pooling操作和mean pooling操作不同點在於需要記錄下池化操作時到底哪個像素的值是最大，也就是max id。

源碼中有一個max_idx_的變數，這個變數就是記錄最大值所在位置的，因為在反向傳播中要用到，那麼假設前向傳播和反向傳播的過程就如下圖所示。

7.4 Pytorch 實現池化層

我們使用Pytorch中的nn.MaxPool2d實現最大池化層，關注以下構造函數參數：

kernel_size – the size of the window to take a max over

stride – the stride of the window. Default value is kernel_size

padding – implicit zero padding to be added on both sides

forward函數的參數為一個四維張量，形狀為 ，返回值也是一個四維張量，形狀為 ，其中N是批量大小，C,H,W分別表示通道數、高度、寬度。

X=torch.arange(32,dtype=torch.float32).view(1,2,4,4)

pool2d=nn.MaxPool2d(kernel_size=3,padding=1,stride=(2,1))

Y=pool2d(X)

print(X)

print(Y)

練習

1、假如你用全連接層處理一張256 \times 256256×256的彩色（RGB）圖像，輸出包含1000個神經元，在使用偏置的情況下，參數數量是：

     答：圖像展平後長度為3×256×256，權重參數和偏置參數的數量是3× 256× 256 × 1000 + 1000 =196609000。

2、假如你用全連接層處理一張256×256的彩色（RGB）圖像，卷積核的高寬是3×3，輸出包含10個通道，在使用偏置的情況下，這個卷積層共有多少個參數：

    答：輸入通道數是3，輸出通道數是10，所以參數數量是10×3×3×3+10=280。

3、conv2d = nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=4, kernel_size=3, padding=2)，輸入一張形狀為3×100×100的圖像，輸出的形狀為：

    答：輸出通道數是4，上下兩側總共填充4行，卷積核高度是3，所以輸出的高度是104 - 3 + 1=102104−3+1=102，寬度同理可得。

4、關於卷積層，以下哪種說法是錯誤的：

A.1×1卷積可以看作是通道維上的全連接

B.某個二維卷積層用於處理形狀為3×100×100的輸入，則該卷積層無法處理形狀為3×256×256的輸入

C.卷積層通過填充、步幅、輸入通道數、輸出通道數等調節輸出的形狀

D .兩個連續的3×3卷積核的感受野與一個5×5卷積核的感受野相同

答：選B，對於高寬維度，只要輸入的高寬（填充後的）大於或等於卷積核的高寬即可進行計算。

the first layer is a 3 × 3 convolution, the second is a fully connected layer on top of the 3 × 3 output grid of the first layer (see Figure 1). Sliding this small network over the input activation grid boils down to replacing the 5 × 5 convolution with two layers of 3 × 3 convolution.

我們假設圖片是5*5的

我們使用5*5的卷積核對其卷積，步長為1，得到的結果是:(5-5)/1+1=1

然後我們使用2個卷積核為3*3的，這里的兩個是指2層：

第一層3*3：

得到的結果是(5-3)/1+1=3

第二層3*3：

得到的結果是(3-3)/1+1=1

所以我們的最終得到結果感受野大小和用5*5的卷積核得到的結果大小是一樣的！！！

5、關於池化層，以下哪種說法是錯誤的：

A.池化層不參與反向傳播

B.池化層沒有模型參數

C.池化層通常會減小特徵圖的高和寬

D.池化層的輸入和輸出具有相同的通道數

答：A

選項1：錯誤，池化層有參與模型的正向計算，同樣也會參與反向傳播

選項2：正確，池化層直接對窗口內的元素求最大值或平均值，並沒有模型參數參與計算

選項3：正確

選項4：正確

參考文獻：

https://www.boyuai.com/

https://blog.csdn.net/qq_21578849/article/details/94667699

https://www.hu.com/question/265791259/answer/298610437

https://blog.csdn.net/zouxiaolv/article/details/97366681

B. 卷積神經網路CNN(Convolutional Neural Network)

上圖計算過程為，首先我們可以將右邊進行卷積的可以稱為過濾器也可以叫做核，覆蓋到左邊第一個區域，然後分別按照對應位置相乘再相加，3*1+1*1+2*1+0*0+0*0+0*0+1*(-1)+8*(-1)+2*(-1)=-5;
按照上述的計算方法逐步按右移一個步長（步長可以設定為1,2，...等），然後按往下移，逐漸計算相應的值，得出最終的值。

如上圖顯示，對於第一個圖像矩陣對應的圖，一邊是白色，一邊是黑色，那麼中間就會存在一個垂直的邊緣，我們可以選擇一個垂直邊緣檢測過濾器，如乘法右邊的矩陣，那麼兩者做卷積後得出的圖會顯示如等號右邊的結果矩陣對應的灰度圖中間會有一個白色的中間帶，也就是檢測出來的邊緣，那為什麼感覺中間邊緣帶會比較寬呢？而不是很細的一個局域呢？原因是我們輸入的圖像只有6*6，過於小了，如果我們選擇輸出更大的尺寸的圖，那麼結果來說就是相對的一個細的邊緣檢測帶，也就將我們的垂直邊緣特徵提取出來了。
上述都是人工選擇過濾器的參數，隨著神經網路的發展我們可以利用反向傳播演算法來學習過濾器的參數

我們可以將卷積的顧慮器的數值變成一個參數，通過反向傳播演算法去學習，這樣學到的過濾器或者說卷積核就能夠識別到很多的特徵，而不是依靠手工選擇過濾器。

- padding 操作，卷積經常會出現兩個問題：
1.每經過一次卷積圖像都會縮小，如果卷積層很多的話，後面的圖像就縮的很小了；
2.邊緣像素利用次數只有一次，很明顯少於位於中間的像素，因此會損失邊緣圖像信息。
為了解決上述的問題，我們可以在圖像邊緣填充像素，也就是 padding 操作了。

如果我們設置在圖像邊緣填充的像素數為p，那麼經過卷積後的圖像是：(n+2p-f+1)x(n+2p-f+1).
如何去選擇p呢
通常有兩種選擇：
-Valid:也就是說不填充操作(no padding),因此如果我們有nxn的圖像，fxf的過濾器，那麼我們進行卷積nxn fxf=(n-f+1)x(n-f+1)的輸出圖像；
-Same:也就是填充後是輸出圖像的大小的與輸入相同，同樣就有(n+2p)x(n+2p) fxf=nxn,那麼可以算,n+2p-f+1=n,得到p=(f-1)/2。
通常對於過濾器的選擇有一個默認的准則就是選擇過濾器的尺寸是奇數的過濾器。
- 卷積步長設置(Strided COnvolution)
卷積步長也就是我們進行卷積操作時，過濾器每次移動的步長，上面我們介紹的卷積操作步長默認都是1，也就是說每次移動過濾器時我們是向右移動一格，或者向下移動一格。
但是我們可以對卷積進行步長的設置，也就是我們能夠對卷積移動的格數進行設置。同樣假如我們的圖像是nxn,過濾器是fxf，padding設置是p，步長strided設置為s,那麼我們進行卷積操作後輸出的圖像為((n+2p-f)/s+1)x((n+2p-f)/s+1),那麼這樣就會出現一個問題，如果計算結果不是整數怎麼辦？

一般是選擇向下取整，也就是說明，只有當我們的過濾器完全在圖像上能夠覆蓋時才對它進行計算，這是一個慣例。
實際上上述所述的操作在嚴格數學角度來說不是卷積的定義，卷積的定義上我們計算的時候在移動步長之前也就是對應元素相乘之前是需要對卷積核或者說我們的過濾器進行鏡像操作的，經過鏡像操作後再把對應元素進行相乘這才是嚴格意義上的卷積操作，在數學角度上來說這個操作不算嚴格的卷積操作應該是屬於互相關操作，但是在深度學習領域中，大家按照慣例都省略了反轉操作，也把這個操作叫做卷積操作

我們知道彩色圖像有RGB三個通道，因此對於輸入來說是一個三維的輸入，那麼對三維輸入的圖像如何進行卷積操作呢？

例子，如上圖我們輸入圖像假設為6×6×3，3代表有RGB三個通道channel,或者可以叫depth深度，過濾器的選擇為3×3×3，其中需要規定的是，顧慮器的channel必須與輸入圖像的channel相同，長寬沒有限制，那麼計算過程是，我們將過濾器的立體覆蓋在輸入，這樣對應的27個數對應相乘後相加得到一個數，對應到我們的輸出，因此這樣的方式進行卷積後我們得出的輸出層為4×4×1。如果我們有多個過濾器，比如我們分別用兩個過濾器一個提取垂直特徵，一個提取水平特徵，那麼輸出圖4×4×2 。也就是代表我們輸出的深度或者說通道與過濾器的個數是相等的。

第l層的卷積標記如下：

加入我們的過濾器是3×3×3規格的，如果我們設定10個過濾器，那麼需要學習的參數總數為每個過濾器為27個參數然後加上一個偏差bias那麼每個過濾器的參數為28個，所以十個過濾器的參數為280個。從這里也就可以看出，不管我們輸入的圖片大小是多大，我們都只需要計算這些參數，因此參數共享也就很容易理解了。

為了縮減模型的大小，提高計算速度，同時提高所提取特徵的魯棒性，我們經常會使用池化層。池化層的計算方式與卷積類似，只是我們需要對每一個通道都進行池化操作。
池化的方式一般有兩種：Max Pooling和Average Pooling。

上面為Max Pooling，那麼計算方法與卷積類似，首先設定超參數比如過濾器的大小與步長，然後覆蓋到對應格子上面，用最大值取代其值作為輸出的結果，例如上圖為過濾器選擇2×2，步長選擇為2，因此輸出就是2×2的維度，每個輸出格子都是過濾器對應維度上輸入的最大值。如果為平均池化，那麼就是選擇其間的平均值作為輸出的值。
因此從上面的過程我們看到，通過池化操作能夠縮小模型，同時能讓特徵值更加明顯，也就提高了提取特徵的魯棒性。

C. 卷積神經網路

卷積神經網路 （Convolutional Neural Networks，CNN）是一種前饋神經網路。卷積神經網路是受生物學上感受野（Receptive Field）的機制而提出的。感受野主要是指聽覺系統、本體感覺系統和視覺系統中神經元的一些性質。比如在視覺神經系統中，一個神經元的感受野是指視網膜上的特定區域，只有這個區域內的刺激才能夠激活該神經元。

卷積神經網路又是怎樣解決這個問題的呢？主要有三個思路：

在使用CNN提取特徵時，到底使用哪一層的輸出作為最後的特徵呢？

答：倒數第二個全連接層的輸出才是最後我們要提取的特徵，也就是最後一個全連接層的輸入才是我們需要的特徵。

全連接層會忽視形狀。卷積層可以保持形狀不變。當輸入數據是圖像時，卷積層會以3維數據的形式接收輸入數據，並同樣以3維數據的形式輸出至下一層。因此，在CNN中，可以（有可能）正確理解圖像等具有形狀的數據。

CNN中，有時將 卷積層的輸入輸出數據稱為特徵圖（feature map） 。其中， 卷積層的輸入數據稱為輸入特徵圖（input feature map） ， 輸出數據稱為輸出特徵圖（output feature map）。

卷積層進行的處理就是 卷積運算 。卷積運算相當於圖像處理中的「濾波器運算」。

濾波器相當於權重或者參數，濾波器數值都是學習出來的。 卷積層實現的是垂直邊緣檢測 。

邊緣檢測實際就是將圖像由亮到暗進行區分，即邊緣的過渡(edge transitions)。

卷積層對應到全連接層，左上角經過濾波器，得到的3，相當於一個神經元輸出為3.然後相當於，我們把輸入矩陣拉直為36個數據，但是我們只對其中的9個數據賦予了權重。

步幅為1 ，移動一個，得到一個1，相當於另一個神經單元的輸出是1.

並且使用的是同一個濾波器，對應到全連接層，就是權值共享。

在這個例子中，輸入數據是有高長方向的形狀的數據，濾波器也一樣，有高長方向上的維度。假設用（height, width）表示數據和濾波器的形狀，則在本例中，輸入大小是(4, 4)，濾波器大小是(3, 3)，輸出大小是(2, 2)。另外，有的文獻中也會用「核」這個詞來表示這里所說的「濾波器」。

對於輸入數據，卷積運算以一定間隔滑動濾波器的窗口並應用。這里所說的窗口是指圖7-4中灰色的3 × 3的部分。如圖7-4所示，將各個位置上濾
波器的元素和輸入的對應元素相乘，然後再求和（有時將這個計算稱為乘積累加運算）。然後，將這個結果保存到輸出的對應位置。將這個過程在所有位置都進行一遍，就可以得到卷積運算的輸出。

CNN中，濾波器的參數就對應之前的權重。並且，CNN中也存在偏置。

在進行卷積層的處理之前，有時要向輸入數據的周圍填入固定的數據（比如0等），這稱為填充（padding），是卷積運算中經常會用到的處理。比如，在圖7-6的例子中，對大小為(4, 4)的輸入數據應用了幅度為1的填充。「幅度為1的填充」是指用幅度為1像素的0填充周圍。

應用濾波器的位置間隔稱為 步幅（stride） 。

假設輸入大小為(H, W)，濾波器大小為(FH, FW)，輸出大小為(OH, OW)，填充為P，步幅為S。

但是所設定的值必須使式（7.1）中的 和 分別可以除盡。當輸出大小無法除盡時（結果是小數時），需要採取報錯等對策。順便說一下，根據深度學習的框架的不同，當值無法除盡時，有時會向最接近的整數四捨五入，不進行報錯而繼續運行。

之前的卷積運算的例子都是以有高、長方向的2維形狀為對象的。但是，圖像是3維數據，除了高、長方向之外，還需要處理通道方向。

在3維數據的卷積運算中，輸入數據和濾波器的通道數要設為相同的值。

因此，作為4維數據，濾波器的權重數據要按(output_channel, input_channel, height, width)的順序書寫。比如，通道數為3、大小為5 × 5的濾
波器有20個時，可以寫成(20, 3, 5, 5)。

對於每個通道，均使用自己的權值矩陣進行處理，輸出時將多個通道所輸出的值進行加和即可。

卷積運算的批處理，需要將在各層間傳遞的數據保存為4維數據。具體地講，就是按(batch_num, channel, height, width)的順序保存數據。

這里需要注意的是，網路間傳遞的是4維數據，對這N個數據進行了卷積運算。也就是說，批處理將N次的處理匯總成了1次進行。

池化是縮小高、長方向上的空間的運算。比如，如圖7-14所示，進行將2 × 2的區域集約成1個元素的處理，縮小空間大小。

圖7-14的例子是按步幅2進行2 × 2的Max池化時的處理順序。「Max池化」是獲取最大值的運算，「2 × 2」表示目標區域的大小。如圖所示，從
2 × 2的區域中取出最大的元素。此外，這個例子中將步幅設為了2，所以2 × 2的窗口的移動間隔為2個元素。另外，一般來說，池化的窗口大小會和步幅設定成相同的值。比如，3 × 3的窗口的步幅會設為3，4 × 4的窗口的步幅會設為4等。

除了Max池化之外，還有Average池化等。相對於Max池化是從目標區域中取出最大值，Average池化則是計算目標區域的平均值。 在圖像識別領域，主要使用Max池化。 因此，本書中說到「池化層」時，指的是Max池化。

池化層的特徵
池化層有以下特徵。
沒有要學習的參數
池化層和卷積層不同，沒有要學習的參數。池化只是從目標區域中取最大值（或者平均值），所以不存在要學習的參數。
通道數不發生變化
經過池化運算，輸入數據和輸出數據的通道數不會發生變化。如圖7-15所示，計算是按通道獨立進行的。

​ 對微小的位置變化具有魯棒性（健壯）
​ 輸入數據發生微小偏差時，池化仍會返回相同的結果。因此，池化對輸入數據的微小偏差具有魯棒性。比如，3 × 3的池化的情況下，如圖
​ 7-16所示，池化會吸收輸入數據的偏差（根據數據的不同，結果有可能不一致）。

經過卷積層和池化層之後，進行Flatten，然後丟到全連接前向傳播神經網路。

（找到一張圖片使得某個filter響應最大。相當於filter固定，未知的是輸入的圖片。）未知的是輸入的圖片？？？

k是第k個filter，x是我們要找的參數。?這里我不是很明白。我得理解應該是去尋找最具有代表性的特徵。

使用im2col來實現卷積層

卷積層的參數是需要學習的，但是池化層沒有參數需要學習。全連接層的參數需要訓練得到。

池化層不需要訓練參數。全連接層的參數最多。卷積核的個數逐漸增多。激活層的size，逐漸減少。

最大池化只是計算神經網路某一層的靜態屬性，沒有什麼需要學習的，它只是一個靜態屬性 。

像這樣展開之後，只需對展開的矩陣求各行的最大值，並轉換為合適的形狀即可（圖7-22）。

參數
• input_dim ― 輸入數據的維度：（ 通道，高，長 ）
• conv_param ― 卷積層的超參數（字典）。字典的關鍵字如下：
filter_num ― 濾波器的數量
filter_size ― 濾波器的大小
stride ― 步幅
pad ― 填充
• hidden_size ― 隱藏層（全連接）的神經元數量
• output_size ― 輸出層（全連接）的神經元數量
• weitght_int_std ― 初始化時權重的標准差

LeNet

LeNet在1998年被提出，是進行手寫數字識別的網路。如圖7-27所示，它有連續的卷積層和池化層（正確地講，是只「抽選元素」的子采樣層），最後經全連接層輸出結果。

和「現在的CNN」相比，LeNet有幾個不同點。第一個不同點在於激活函數。LeNet中使用sigmoid函數，而現在的CNN中主要使用ReLU函數。
此外，原始的LeNet中使用子采樣（subsampling）縮小中間數據的大小，而現在的CNN中Max池化是主流。

AlexNet

在LeNet問世20多年後，AlexNet被發布出來。AlexNet是引發深度學習熱潮的導火線，不過它的網路結構和LeNet基本上沒有什麼不同，如圖7-28所示。

AlexNet疊有多個卷積層和池化層，最後經由全連接層輸出結果。雖然結構上AlexNet和LeNet沒有大的不同，但有以下幾點差異。
• 激活函數使用ReLU。
• 使用進行局部正規化的LRN（Local Response Normalization）層。
• 使用Dropout

TF2.0實現卷積神經網路

valid意味著不填充，same是填充
or the SAME padding, the output height and width are computed as:

out_height = ceil(float(in_height) / float(strides[1]))

out_width = ceil(float(in_width) / float(strides[2]))

And

For the VALID padding, the output height and width are computed as:

out_height = ceil(float(in_height - filter_height + 1) / float(strides[1]))

out_width = ceil(float(in_width - filter_width + 1) / float(strides[2]))
因此，我們可以設定 padding 策略。在 tf.keras.layers.Conv2D 中，當我們將 padding 參數設為 same 時，會將周圍缺少的部分使用 0 補齊，使得輸出的矩陣大小和輸入一致。

D. 卷積神經網路的 卷積層、激活層、池化層、全連接層

數據輸入的是一張圖片（輸入層），CONV表示卷積層，RELU表示激勵層，POOL表示池化層，Fc表示全連接層

全連接神經網路需要非常多的計算資源才能支撐它來做反向傳播和前向傳播，所以說全連接神經網路可以存儲非常多的參數，如果你給它的樣本如果沒有達到它的量級的時候，它可以輕輕鬆鬆把你給他的樣本全部都記下來，這會出現過擬合的情況。

所以我們應該把神經元和神經元之間的連接的權重個數降下來，但是降下來我們又不能保證它有較強的學習能力，所以這是一個糾結的地方，所以有一個方法就是 局部連接+權值共享 ，局部連接+權值共享不僅權重參數降下來了，而且學習能力並沒有實質的降低，除此之外還有其它的好處，下來看一下，下面的這幾張圖片：

一個圖像的不同表示方式

這幾張圖片描述的都是一個東西，但是有的大有的小，有的靠左邊，有的靠右邊，有的位置不同，但是我們構建的網路識別這些東西的時候應該是同一結果。為了能夠達到這個目的，我們可以讓圖片的不同位置具有相同的權重（權值共享），也就是上面所有的圖片，我們只需要在訓練集中放一張，我們的神經網路就可以識別出上面所有的，這也是 權值共享 的好處。

而卷積神經網路就是局部連接+權值共享的神經網路。

現在我們對卷積神經網路有一個初步認識了，下面具體來講解一下卷積神經網路，卷積神經網路依舊是層級結構，但層的功能和形式做了改變，卷積神經網路常用來處理圖片數據，比如識別一輛汽車：

在圖片輸出到神經網路之前，常常先進行圖像處理，有 三種 常見的圖像的處理方式：

均值化和歸一化

去相關和白化

圖片有一個性質叫做局部關聯性質，一個圖片的像素點影響最大的是它周邊的像素點，而距離這個像素點比較遠的像素點二者之間關系不大。這個性質意味著每一個神經元我們不用處理全局的圖片了（和上一層全連接），我們的每一個神經元只需要和上一層局部連接，相當於每一個神經元掃描一小區域，然後許多神經元（這些神經元權值共享）合起來就相當於掃描了全局，這樣就構成一個特徵圖，n個特徵圖就提取了這個圖片的n維特徵，每個特徵圖是由很多神經元來完成的。

在卷積神經網路中，我們先選擇一個局部區域（filter），用這個局部區域（filter）去掃描整張圖片。 局部區域所圈起來的所有節點會被連接到下一層的 一個節點上 。我們拿灰度圖（只有一維）來舉例：

局部區域

圖片是矩陣式的，將這些以矩陣排列的節點展成了向量。就能更好的看出來卷積層和輸入層之間的連接，並不是全連接的，我們將上圖中的紅色方框稱為filter，它是2*2的，這是它的尺寸，這不是固定的，我們可以指定它的尺寸。

我們可以看出來當前filter是2*2的小窗口，這個小窗口會將圖片矩陣從左上角滑到右下角，每滑一次就會一下子圈起來四個，連接到下一層的一個神經元，然後產生四個權重，這四個權重(w1、w2、w3、w4)構成的矩陣就叫做卷積核。

卷積核是演算法自己學習得到的，它會和上一層計算，比如，第二層的0節點的數值就是局部區域的線性組合（w1 0+w2 1+w3 4+w4 5），即被圈中節點的數值乘以對應的權重後相加。

卷積核計算

卷積操作

我們前面說過圖片不用向量表示是為了保留圖片平面結構的信息。 同樣的，卷積後的輸出若用上圖的向量排列方式則丟失了平面結構信息。 所以我們依然用矩陣的方式排列它們，就得到了下圖所展示的連接，每一個藍色結點連接四個黃色的結點。

卷積層的連接方式

圖片是一個矩陣然後卷積神經網路的下一層也是一個矩陣，我們用一個卷積核從圖片矩陣左上角到右下角滑動，每滑動一次，當然被圈起來的神經元們就會連接下一層的一個神經元，形成參數矩陣這個就是卷積核，每次滑動雖然圈起來的神經元不同，連接下一層的神經元也不同，但是產生的參數矩陣確是一樣的，這就是 權值共享 。

卷積核會和掃描的圖片的那個局部矩陣作用產生一個值，比如第一次的時候，（w1 0+w2 1+w3 4+w4 5），所以，filter從左上到右下的這個過程中會得到一個矩陣（這就是下一層也是一個矩陣的原因），具體過程如下所示：

卷積計算過程

上圖中左邊是圖矩陣，我們使用的filter的大小是3 3的，第一次滑動的時候，卷積核和圖片矩陣作用（1 1+1 0+1 1+0 0+1 1+1 0+0 1+0 0+1 1）=4，會產生一個值，這個值就是右邊矩陣的第一個值，filter滑動9次之後，會產生9個值，也就是說下一層有9個神經元，這9個神經元產生的值就構成了一個矩陣，這矩陣叫做特徵圖，表示image的某一維度的特徵，當然具體哪一維度可能並不知道，可能是這個圖像的顏色，也有可能是這個圖像的輪廓等等。

單通道圖片總結 ：以上就是單通道的圖片的卷積處理，圖片是一個矩陣，我們用指定大小的卷積核從左上角到右下角來滑動，每次滑動所圈起來的結點會和下一層的一個結點相連，連接之後就會形成局部連接，每一條連接都會產生權重，這些權重就是卷積核，所以每次滑動都會產生一個卷積核，因為權值共享，所以這些卷積核都是一樣的。卷積核會不斷和當時卷積核所圈起來的局部矩陣作用，每次產生的值就是下一層結點的值了，這樣多次產生的值組合起來就是一個特徵圖，表示某一維度的特徵。也就是從左上滑動到右下這一過程中會形成一個特徵圖矩陣（共享一個卷積核），再從左上滑動到右下又會形成另一個特徵圖矩陣（共享另一個卷積核），這些特徵圖都是表示特徵的某一維度。

三個通道的圖片如何進行卷積操作？

至此我們應該已經知道了單通道的灰度圖是如何處理的，實際上我們的圖片都是RGB的圖像，有三個通道，那麼此時圖像是如何卷積的呢？

彩色圖像

filter窗口滑的時候，我們只是從width和height的角度來滑動的，並沒有考慮depth，所以每滑動一次實際上是產生一個卷積核，共享這一個卷積核，而現在depth=3了，所以每滑動一次實際上產生了具有三個通道的卷積核（它們分別作用於輸入圖片的藍色、綠色、紅色通道），卷積核的一個通道核藍色的矩陣作用產生一個值，另一個和綠色的矩陣作用產生一個值，最後一個和紅色的矩陣作用產生一個值，然後這些值加起來就是下一層結點的值，結果也是一個矩陣，也就是一張特徵圖。

三通道的計算過程

要想有多張特徵圖的話，我們可以再用新的卷積核來進行左上到右下的滑動，這樣就會形成 新的特徵圖 。

三通道圖片的卷積過程

也就是說增加一個卷積核，就會產生一個特徵圖，總的來說就是輸入圖片有多少通道，我們的卷積核就需要對應多少通道，而本層中卷積核有多少個，就會產生多少個特徵圖。這樣卷積後輸出可以作為新的輸入送入另一個卷積層中處理，有幾個特徵圖那麼depth就是幾，那麼下一層的每一個特徵圖就得用相應的通道的卷積核來對應處理，這個邏輯要清楚，我們需要先了解一下 基本的概念：

卷積計算的公式

4x4的圖片在邊緣Zero padding一圈後，再用3x3的filter卷積後，得到的Feature Map尺寸依然是4x4不變。

填充

當然也可以使用5x5的filte和2的zero padding可以保持圖片的原始尺寸，3x3的filter考慮到了像素與其距離為1以內的所有其他像素的關系，而5x5則是考慮像素與其距離為2以內的所有其他像素的關系。

規律： Feature Map的尺寸等於

(input_size + 2 * padding_size − filter_size)/stride+1

我們可以把卷積層的作用 總結一點： 卷積層其實就是在提取特徵，卷積層中最重要的是卷積核（訓練出來的），不同的卷積核可以探測特定的形狀、顏色、對比度等，然後特徵圖保持了抓取後的空間結構，所以不同卷積核對應的特徵圖表示某一維度的特徵，具體什麼特徵可能我們並不知道。特徵圖作為輸入再被卷積的話，可以則可以由此探測到"更大"的形狀概念，也就是說隨著卷積神經網路層數的增加，特徵提取的越來越具體化。

激勵層的作用可以理解為把卷積層的結果做 非線性映射 。

激勵層

上圖中的f表示激勵函數，常用的激勵函數幾下幾種：

常用的激勵函數

我們先來看一下激勵函數Sigmoid導數最小為0，最大為1/4，

激勵函數Sigmoid

Tanh激活函數：和sigmoid相似，它會關於x軸上下對應，不至於朝某一方面偏向

Tanh激活函數

ReLU激活函數（修正線性單元)：收斂快，求梯度快，但較脆弱，左邊的梯度為0

ReLU激活函數

Leaky ReLU激活函數：不會飽和或者掛掉，計算也很快，但是計算量比較大

Leaky ReLU激活函數

一些激勵函數的使用技巧 ：一般不要用sigmoid，首先試RELU，因為快，但要小心點，如果RELU失效，請用Leaky ReLU，某些情況下tanh倒是有不錯的結果。

這就是卷積神經網路的激勵層，它就是將卷積層的線性計算的結果進行了非線性映射。可以從下面的圖中理解。它展示的是將非線性操作應用到一個特徵圖中。這里的輸出特徵圖也可以看作是"修正"過的特徵圖。如下所示：

非線性操作

池化層：降低了各個特徵圖的維度，但可以保持大分重要的信息。池化層夾在連續的卷積層中間，壓縮數據和參數的量，減小過擬合，池化層並沒有參數，它只不過是把上層給它的結果做了一個下采樣（數據壓縮）。下采樣有 兩種 常用的方式：

Max pooling ：選取最大的，我們定義一個空間鄰域（比如，2x2 的窗口），並從窗口內的修正特徵圖中取出最大的元素，最大池化被證明效果更好一些。

Average pooling ：平均的，我們定義一個空間鄰域（比如，2x2 的窗口），並從窗口內的修正特徵圖算出平均值

Max pooling

我們要注意一點的是：pooling在不同的depth上是分開執行的，也就是depth=5的話，pooling進行5次，產生5個池化後的矩陣，池化不需要參數控制。池化操作是分開應用到各個特徵圖的，我們可以從五個輸入圖中得到五個輸出圖。

池化操作

無論是max pool還是average pool都有分信息被舍棄，那麼部分信息被舍棄後會損壞識別結果嗎？

因為卷積後的Feature Map中有對於識別物體不必要的冗餘信息，我們下采樣就是為了去掉這些冗餘信息，所以並不會損壞識別結果。

我們來看一下卷積之後的冗餘信息是怎麼產生的？

我們知道卷積核就是為了找到特定維度的信息，比如說某個形狀，但是圖像中並不會任何地方都出現這個形狀，但卷積核在卷積過程中沒有出現特定形狀的圖片位置卷積也會產生一個值，但是這個值的意義就不是很大了，所以我們使用池化層的作用，將這個值去掉的話，自然也不會損害識別結果了。

比如下圖中，假如卷積核探測"橫折"這個形狀。 卷積後得到3x3的Feature Map中，真正有用的就是數字為3的那個節點，其餘數值對於這個任務而言都是無關的。 所以用3x3的Max pooling後，並沒有對"橫折"的探測產生影響。 試想在這里例子中如果不使用Max pooling，而讓網路自己去學習。 網路也會去學習與Max pooling近似效果的權重。因為是近似效果，增加了更多的參數的代價，卻還不如直接進行最大池化處理。

最大池化處理

在全連接層中所有神經元都有權重連接，通常全連接層在卷積神經網路尾部。當前面卷積層抓取到足以用來識別圖片的特徵後，接下來的就是如何進行分類。 通常卷積網路的最後會將末端得到的長方體平攤成一個長長的向量，並送入全連接層配合輸出層進行分類。比如，在下面圖中我們進行的圖像分類為四分類問題，所以卷積神經網路的輸出層就會有四個神經元。

四分類問題

我們從卷積神經網路的輸入層、卷積層、激活層、池化層以及全連接層來講解卷積神經網路，我們可以認為全連接層之間的在做特徵提取，而全連接層在做分類，這就是卷積神經網路的核心。

E. 神經網路：卷積神經網路（CNN）

神經網路 最早是由心理學家和神經學家提出的，旨在尋求開發和測試神經的計算模擬。

粗略地說， 神經網路 是一組連接的 輸入/輸出單元 ，其中每個連接都與一個 權 相關聯。在學習階段，通過調整權值，使得神經網路的預測准確性逐步提高。由於單元之間的連接，神經網路學習又稱 連接者學習。

神經網路是以模擬人腦神經元的數學模型為基礎而建立的，它由一系列神經元組成，單元之間彼此連接。從信息處理角度看，神經元可以看作是一個多輸入單輸出的信息處理單元，根據神經元的特性和功能，可以把神經元抽象成一個簡單的數學模型。

神經網路有三個要素： 拓撲結構、連接方式、學習規則

神經網路的拓撲結構 ：神經網路的單元通常按照層次排列，根據網路的層次數，可以將神經網路分為單層神經網路、兩層神經網路、三層神經網路等。結構簡單的神經網路，在學習時收斂的速度快，但准確度低。

神經網路的層數和每層的單元數由問題的復雜程度而定。問題越復雜，神經網路的層數就越多。例如，兩層神經網路常用來解決線性問題，而多層網路就可以解決多元非線性問題

神經網路的連接 ：包括層次之間的連接和每一層內部的連接，連接的強度用權來表示。

根據層次之間的連接方式，分為：

1）前饋式網路：連接是單向的，上層單元的輸出是下層單元的輸入，如反向傳播網路，Kohonen網路

2）反饋式網路：除了單項的連接外，還把最後一層單元的輸出作為第一層單元的輸入，如Hopfield網路

根據連接的范圍，分為：

1）全連接神經網路：每個單元和相鄰層上的所有單元相連

2）局部連接網路：每個單元只和相鄰層上的部分單元相連

神經網路的學習

根據學習方法分：

感知器：有監督的學習方法，訓練樣本的類別是已知的，並在學習的過程中指導模型的訓練

認知器：無監督的學習方法，訓練樣本類別未知，各單元通過競爭學習。

根據學習時間分：

離線網路：學習過程和使用過程是獨立的

在線網路：學習過程和使用過程是同時進行的

根據學習規則分：

相關學習網路：根據連接間的激活水平改變權系數

糾錯學習網路：根據輸出單元的外部反饋改變權系數

自組織學習網路：對輸入進行自適應地學習

摘自《數學之美》對人工神經網路的通俗理解：

神經網路種類很多，常用的有如下四種：

1）Hopfield網路，典型的反饋網路，結構單層，有相同的單元組成

2）反向傳播網路，前饋網路，結構多層，採用最小均方差的糾錯學習規則，常用於語言識別和分類等問題

3）Kohonen網路：典型的自組織網路，由輸入層和輸出層構成，全連接

4）ART網路：自組織網路

深度神經網路：

Convolutional Neural Networks(CNN)卷積神經網路

Recurrent neural Network(RNN)循環神經網路

Deep Belief Networks(DBN)深度信念網路

深度學習是指多層神經網路上運用各種機器學習演算法解決圖像，文本等各種問題的演算法集合。深度學習從大類上可以歸入神經網路，不過在具體實現上有許多變化。

深度學習的核心是特徵學習，旨在通過分層網路獲取分層次的特徵信息，從而解決以往需要人工設計特徵的重要難題。

Machine Learning vs. Deep Learning 

神經網路（主要是感知器）經常用於 分類

神經網路的分類知識體現在網路連接上，被隱式地存儲在連接的權值中。

神經網路的學習就是通過迭代演算法，對權值逐步修改的優化過程，學習的目標就是通過改變權值使訓練集的樣本都能被正確分類。

神經網路特別適用於下列情況的分類問題：

1) 數據量比較小，缺少足夠的樣本建立模型

2) 數據的結構難以用傳統的統計方法來描述

3) 分類模型難以表示為傳統的統計模型

缺點：

1) 需要很長的訓練時間，因而對於有足夠長訓練時間的應用更合適。

2) 需要大量的參數，這些通常主要靠經驗確定，如網路拓撲或「結構」。

3)  可解釋性差 。該特點使得神經網路在數據挖掘的初期並不看好。

優點：

1) 分類的准確度高

2)並行分布處理能力強

3)分布存儲及學習能力高

4)對噪音數據有很強的魯棒性和容錯能力

最流行的基於神經網路的分類演算法是80年代提出的 後向傳播演算法 。後向傳播演算法在多路前饋神經網路上學習。 

定義網路拓撲

在開始訓練之前，用戶必須說明輸入層的單元數、隱藏層數（如果多於一層）、每一隱藏層的單元數和輸出層的單元數，以確定網路拓撲。

對訓練樣本中每個屬性的值進行規格化將有助於加快學習過程。通常，對輸入值規格化，使得它們落入0.0和1.0之間。

離散值屬性可以重新編碼，使得每個域值一個輸入單元。例如，如果屬性A的定義域為(a0,a1,a2)，則可以分配三個輸入單元表示A。即，我們可以用I0 ,I1 ,I2作為輸入單元。每個單元初始化為0。如果A = a0，則I0置為1；如果A = a1，I1置1；如此下去。

一個輸出單元可以用來表示兩個類（值1代表一個類，而值0代表另一個）。如果多於兩個類，則每個類使用一個輸出單元。

隱藏層單元數設多少個「最好」 ，沒有明確的規則。

網路設計是一個實驗過程，並可能影響准確性。權的初值也可能影響准確性。如果某個經過訓練的網路的准確率太低，則通常需要採用不同的網路拓撲或使用不同的初始權值，重復進行訓練。

後向傳播演算法學習過程：

迭代地處理一組訓練樣本，將每個樣本的網路預測與實際的類標號比較。

每次迭代後，修改權值，使得網路預測和實際類之間的均方差最小。

這種修改「後向」進行。即，由輸出層，經由每個隱藏層，到第一個隱藏層（因此稱作後向傳播）。盡管不能保證，一般地，權將最終收斂，學習過程停止。

演算法終止條件：訓練集中被正確分類的樣本達到一定的比例，或者權系數趨近穩定。

後向傳播演算法分為如下幾步：

1) 初始化權

網路的權通常被初始化為很小的隨機數（例如，范圍從-1.0到1.0，或從-0.5到0.5）。

每個單元都設有一個偏置（bias），偏置也被初始化為小隨機數。

2) 向前傳播輸入

對於每一個樣本X，重復下面兩步：

向前傳播輸入，向後傳播誤差

計算各層每個單元的輸入和輸出。輸入層：輸出=輸入=樣本X的屬性；即，對於單元j，Oj = Ij = Xj。隱藏層和輸出層：輸入=前一層的輸出的線性組合,即，對於單元j， Ij =wij Oi + θj，輸出=

3) 向後傳播誤差

計算各層每個單元的誤差。

輸出層單元j，誤差：

Oj是單元j的實際輸出，而Tj是j的真正輸出。

隱藏層單元j，誤差：

wjk是由j到下一層中單元k的連接的權，Errk是單元k的誤差

更新 權 和 偏差 ，以反映傳播的誤差。

權由下式更新：

 其中，△wij是權wij的改變。l是學習率，通常取0和1之間的值。

 偏置由下式更新：

  其中，△θj是偏置θj的改變。

Example

人類視覺原理：

深度學習的許多研究成果，離不開對大腦認知原理的研究，尤其是視覺原理的研究。1981 年的諾貝爾醫學獎，頒發給了 David Hubel（出生於加拿大的美國神經生物學家） 和Torsten Wiesel，以及Roger Sperry。前兩位的主要貢獻，是「發現了視覺系統的信息處理」， 可視皮層是分級的 。

人類的視覺原理如下：從原始信號攝入開始（瞳孔攝入像素Pixels），接著做初步處理（大腦皮層某些細胞發現邊緣和方向），然後抽象（大腦判定，眼前的物體的形狀，是圓形的），然後進一步抽象（大腦進一步判定該物體是只氣球）。

對於不同的物體，人類視覺也是通過這樣逐層分級，來進行認知的：

在最底層特徵基本上是類似的，就是各種邊緣，越往上，越能提取出此類物體的一些特徵（輪子、眼睛、軀乾等），到最上層，不同的高級特徵最終組合成相應的圖像，從而能夠讓人類准確的區分不同的物體。

可以很自然的想到：可以不可以模仿人類大腦的這個特點，構造多層的神經網路，較低層的識別初級的圖像特徵，若干底層特徵組成更上一層特徵，最終通過多個層級的組合，最終在頂層做出分類呢？答案是肯定的，這也是許多深度學習演算法（包括CNN）的靈感來源。

卷積神經網路是一種多層神經網路，擅長處理圖像特別是大圖像的相關機器學習問題。卷積網路通過一系列方法，成功將數據量龐大的圖像識別問題不斷降維，最終使其能夠被訓練。

CNN最早由Yann LeCun提出並應用在手寫字體識別上。LeCun提出的網路稱為LeNet，其網路結構如下：

這是一個最典型的卷積網路，由 卷積層、池化層、全連接層 組成。其中卷積層與池化層配合，組成多個卷積組，逐層提取特徵，最終通過若干個全連接層完成分類。

CNN通過卷積來模擬特徵區分，並且通過卷積的權值共享及池化，來降低網路參數的數量級，最後通過傳統神經網路完成分類等任務。

降低參數量級：如果使用傳統神經網路方式，對一張圖片進行分類，那麼，把圖片的每個像素都連接到隱藏層節點上，對於一張1000x1000像素的圖片，如果有1M隱藏層單元，一共有10^12個參數，這顯然是不能接受的。

但是在CNN里，可以大大減少參數個數，基於以下兩個假設：

1）最底層特徵都是局部性的，也就是說，用10x10這樣大小的過濾器就能表示邊緣等底層特徵

2）圖像上不同小片段，以及不同圖像上的小片段的特徵是類似的，也就是說，能用同樣的一組分類器來描述各種各樣不同的圖像

基於以上兩個假設，就能把第一層網路結構簡化

用100個10x10的小過濾器，就能夠描述整幅圖片上的底層特徵。

卷積運算的定義如下圖所示：

如上圖所示，一個5x5的圖像，用一個3x3的 卷積核 ：

   101

   010

   101

來對圖像進行卷積操作（可以理解為有一個滑動窗口，把卷積核與對應的圖像像素做乘積然後求和），得到了3x3的卷積結果。

這個過程可以理解為使用一個過濾器（卷積核）來過濾圖像的各個小區域，從而得到這些小區域的特徵值。在實際訓練過程中， 卷積核的值是在學習過程中學到的。

在具體應用中，往往有多個卷積核，可以認為， 每個卷積核代表了一種圖像模式 ，如果某個圖像塊與此卷積核卷積出的值大，則認為此圖像塊十分接近於此卷積核。如果設計了6個卷積核，可以理解為這個圖像上有6種底層紋理模式，也就是用6種基礎模式就能描繪出一副圖像。以下就是24種不同的卷積核的示例：

池化 的過程如下圖所示：

可以看到，原始圖片是20x20的，對其進行采樣，采樣窗口為10x10，最終將其采樣成為一個2x2大小的特徵圖。

之所以這么做，是因為即使做完了卷積，圖像仍然很大（因為卷積核比較小），所以為了降低數據維度，就進行采樣。

即使減少了許多數據，特徵的統計屬性仍能夠描述圖像，而且由於降低了數據維度，有效地避免了過擬合。

在實際應用中，分為最大值采樣（Max-Pooling）與平均值采樣（Mean-Pooling）。

LeNet網路結構：

注意，上圖中S2與C3的連接方式並不是全連接，而是部分連接。最後，通過全連接層C5、F6得到10個輸出，對應10個數字的概率。

卷積神經網路的訓練過程與傳統神經網路類似，也是參照了反向傳播演算法

第一階段，向前傳播階段：

a）從樣本集中取一個樣本(X,Yp)，將X輸入網路；

b）計算相應的實際輸出Op

第二階段，向後傳播階段

a）計算實際輸出Op與相應的理想輸出Yp的差；

b）按極小化誤差的方法反向傳播調整權矩陣。

F. 卷積神經網路

關於花書中卷積網路的筆記記錄於 https://www.jianshu.com/p/5a3c90ea0807 。

卷積神經網路（Convolutional Neural Network，CNN或ConvNet）是一種具有 局部連接、權重共享 等特性的深層前饋神經網路。卷積神經網路是受生物學上感受野的機制而提出。 感受野（Receptive Field） 主要是指聽覺、視覺等神經系統中一些神經元的特性，即 神經元只接受其所支配的刺激區域內的信號 。

卷積神經網路最早是主要用來處理圖像信息。如果用全連接前饋網路來處理圖像時，會存在以下兩個問題：

目前的卷積神經網路一般是由卷積層、匯聚層和全連接層交叉堆疊而成的前饋神經網路，使用反向傳播演算法進行訓練。 卷積神經網路有三個結構上的特性：局部連接，權重共享以及匯聚 。這些特性使卷積神經網路具有一定程度上的平移、縮放和旋轉不變性。

卷積（Convolution）是分析數學中一種重要的運算。在信號處理或圖像處理中，經常使用一維或二維卷積。

一維卷積經常用在信號處理中，用於計算信號的延遲累積。假設一個信號發生器每個時刻t 產生一個信號 ，其信息的衰減率為 ，即在 個時間步長後，信息為原來的 倍。假設 ，那麼在時刻t收到的信號 為當前時刻產生的信息和以前時刻延遲信息的疊加：

我們把 稱為 濾波器（Filter）或卷積核（Convolution Kernel） 。假設濾波器長度為 ，它和一個信號序列 的卷積為：

信號序列 和濾波器 的卷積定義為：

一般情況下濾波器的長度 遠小於信號序列長度 ，下圖給出一個一維卷積示例，濾波器為 ：

二維卷積經常用在圖像處理中。因為圖像為一個兩維結構，所以需要將一維卷積進行擴展。給定一個圖像 和濾波器 ，其卷積為：

下圖給出一個二維卷積示例：

注意這里的卷積運算並不是在圖像中框定卷積核大小的方框並將各像素值與卷積核各個元素相乘並加和，而是先把卷積核旋轉180度，再做上述運算。

在圖像處理中，卷積經常作為特徵提取的有效方法。一幅圖像在經過卷積操作後得到結果稱為 特徵映射（Feature Map） 。

最上面的濾波器是常用的高斯濾波器，可以用來對圖像進行 平滑去噪 ；中間和最下面的過濾器可以用來 提取邊緣特徵 。

在機器學習和圖像處理領域，卷積的主要功能是在一個圖像（或某種特徵）上滑動一個卷積核（即濾波器），通過卷積操作得到一組新的特徵。在計算卷積的過程中，需要進行卷積核翻轉（即上文提到的旋轉180度）。 在具體實現上，一般會以互相關操作來代替卷積，從而會減少一些不必要的操作或開銷。

互相關（Cross-Correlation）是一個衡量兩個序列相關性的函數，通常是用滑動窗口的點積計算來實現 。給定一個圖像 和卷積核 ，它們的互相關為：

互相關和卷積的區別僅在於卷積核是否進行翻轉。因此互相關也可以稱為不翻轉卷積 。當卷積核是可學習的參數時，卷積和互相關是等價的。因此，為了實現上（或描述上）的方便起見，我們用互相關來代替卷積。事實上，很多深度學習工具中卷積操作其實都是互相關操作。

在卷積的標準定義基礎上，還可以引入濾波器的 滑動步長 和 零填充 來增加卷積多樣性，更靈活地進行特徵抽取。

濾波器的步長（Stride）是指濾波器在滑動時的時間間隔。

零填充（Zero Padding）是在輸入向量兩端進行補零。

假設卷積層的輸入神經元個數為 ，卷積大小為 ，步長為 ，神經元兩端各填補 個零，那麼該卷積層的神經元數量為 。

一般常用的卷積有以下三類：

因為卷積網路的訓練也是基於反向傳播演算法，因此我們重點關注卷積的導數性質：

假設 。

， ， 。函數 為一個標量函數。

則由 有：

可以看出， 關於 的偏導數為 和 的卷積 ：

同理得到：

當 或 時， ，即相當於對 進行 的零填充。從而 關於 的偏導數為 和 的寬卷積 。

用互相關的「卷積」表示，即為（注意 寬卷積運算具有交換性性質 ）：

在全連接前饋神經網路中，如果第 層有 個神經元，第 層有 個神經元，連接邊有 個，也就是權重矩陣有 個參數。當 和 都很大時，權重矩陣的參數非常多，訓練的效率會非常低。

如果採用卷積來代替全連接，第 層的凈輸入 為第 層活性值 和濾波器 的卷積，即：

根據卷積的定義，卷積層有兩個很重要的性質：

由於局部連接和權重共享，卷積層的參數只有一個m維的權重 和1維的偏置 ，共 個參數。參數個數和神經元的數量無關。此外，第 層的神經元個數不是任意選擇的，而是滿足 。

卷積層的作用是提取一個局部區域的特徵，不同的卷積核相當於不同的特徵提取器。

特徵映射（Feature Map）為一幅圖像（或其它特徵映射）在經過卷積提取到的特徵，每個特徵映射可以作為一類抽取的圖像特徵。 為了提高卷積網路的表示能力，可以在每一層使用多個不同的特徵映射，以更好地表示圖像的特徵。

在輸入層，特徵映射就是圖像本身。如果是灰度圖像，就是有一個特徵映射，深度 ；如果是彩色圖像，分別有RGB三個顏色通道的特徵映射，深度 。

不失一般性，假設一個卷積層的結構如下：

為了計算輸出特徵映射 ，用卷積核 分別對輸入特徵映射 進行卷積，然後將卷積結果相加，並加上一個標量偏置 得到卷積層的凈輸入 再經過非線性激活函數後得到輸出特徵映射 。

在輸入為 ，輸出為 的卷積層中，每個輸出特徵映射都需要 個濾波器以及一個偏置。假設每個濾波器的大小為 ，那麼共需要 個參數。

匯聚層（Pooling Layer）也叫子采樣層（Subsampling Layer），其作用是進行特徵選擇，降低特徵數量，並從而減少參數數量。

常用的匯聚函數有兩種：

其中 為區域 內每個神經元的激活值。

可以看出，匯聚層不但可以有效地減少神經元的數量，還可以使得網路對一些小的局部形態改變保持不變性，並擁有更大的感受野。

典型的匯聚層是將每個特徵映射劃分為 大小的不重疊區域，然後使用最大匯聚的方式進行下采樣。匯聚層也可以看做是一個特殊的卷積層，卷積核大小為 ，步長為 ，卷積核為 函數或 函數。過大的采樣區域會急劇減少神經元的數量，會造成過多的信息損失。

一個典型的卷積網路是由卷積層、匯聚層、全連接層交叉堆疊而成。

目前常用卷積網路結構如圖所示，一個卷積塊為連續 個卷積層和 個匯聚層（ 通常設置為 ， 為 或 ）。一個卷積網路中可以堆疊 個連續的卷積塊，然後在後面接著 個全連接層（ 的取值區間比較大，比如 或者更大； 一般為 ）。

目前，整個網路結構 趨向於使用更小的卷積核（比如 和 ）以及更深的結構（比如層數大於50） 。此外，由於卷積的操作性越來越靈活（比如不同的步長），匯聚層的作用變得也越來越小，因此目前比較流行的卷積網路中， 匯聚層的比例也逐漸降低，趨向於全卷積網路 。

在全連接前饋神經網路中，梯度主要通過每一層的誤差項 進行反向傳播，並進一步計算每層參數的梯度。在卷積神經網路中，主要有兩種不同功能的神經層：卷積層和匯聚層。而參數為卷積核以及偏置，因此 只需要計算卷積層中參數的梯度。

不失一般性，第 層為卷積層，第 層的輸入特徵映射為 ，通過卷積計算得到第 層的特徵映射凈輸入 ，第 層的第 個特徵映射凈輸入

由 得：

同理可得，損失函數關於第 層的第 個偏置 的偏導數為：

在卷積網路中，每層參數的梯度依賴其所在層的誤差項 。

卷積層和匯聚層中，誤差項的計算有所不同，因此我們分別計算其誤差項。

第 層的第 個特徵映射的誤差項 的具體推導過程如下：

其中 為第 層使用的激活函數導數， 為上采樣函數（upsampling），與匯聚層中使用的下采樣操作剛好相反。如果下采樣是最大匯聚（max pooling），誤差項 中每個值會直接傳遞到上一層對應區域中的最大值所對應的神經元，該區域中其它神經元的誤差項的都設為0。如果下采樣是平均匯聚（meanpooling），誤差項 中每個值會被平均分配到上一層對應區域中的所有神經元上。

第 層的第 個特徵映射的誤差項 的具體推導過程如下：

其中 為寬卷積。

LeNet-5雖然提出的時間比較早，但是是一個非常成功的神經網路模型。基於LeNet-5 的手寫數字識別系統在90年代被美國很多銀行使用，用來識別支票上面的手寫數字。LeNet-5 的網路結構如圖：

不計輸入層，LeNet-5共有7層，每一層的結構為：

AlexNet是第一個現代深度卷積網路模型，其首次使用了很多現代深度卷積網路的一些技術方法，比如採用了ReLU作為非線性激活函數，使用Dropout防止過擬合，使用數據增強來提高模型准確率等。AlexNet 贏得了2012 年ImageNet 圖像分類競賽的冠軍。

AlexNet的結構如圖，包括5個卷積層、3個全連接層和1個softmax層。因為網路規模超出了當時的單個GPU的內存限制，AlexNet 將網路拆為兩半，分別放在兩個GPU上，GPU間只在某些層（比如第3層）進行通訊。

AlexNet的具體結構如下：

在卷積網路中，如何設置卷積層的卷積核大小是一個十分關鍵的問題。 在Inception網路中，一個卷積層包含多個不同大小的卷積操作，稱為Inception模塊。Inception網路是由有多個inception模塊和少量的匯聚層堆疊而成 。

v1版本的Inception模塊，採用了4組平行的特徵抽取方式，分別為1×1、3× 3、5×5的卷積和3×3的最大匯聚。同時，為了提高計算效率，減少參數數量，Inception模塊在進行3×3、5×5的卷積之前、3×3的最大匯聚之後，進行一次1×1的卷積來減少特徵映射的深度。如果輸入特徵映射之間存在冗餘信息， 1×1的卷積相當於先進行一次特徵抽取 。

G. 前饋神經網路、BP神經網路、卷積神經網路的區別與聯系

一、計算方法不同

1、前饋神經網路：一種最簡單的神經網路，各神經元分層排列。每個神經元只與前一層的神經元相連。接收前一層的輸出，並輸出給下一層．各層間沒有反饋。

2、BP神經網路：是一種按照誤差逆向傳播演算法訓練的多層前饋神經網路。

3、卷積神經網路：包含卷積計算且具有深度結構的前饋神經網路。

二、用途不同

1、前饋神經網路：主要應用包括感知器網路、BP網路和RBF網路。

2、BP神經網路：

（1）函數逼近：用輸入向量和相應的輸出向量訓練一個網路逼近一個函數；

（2）模式識別：用一個待定的輸出向量將它與輸入向量聯系起來；

（3）分類：把輸入向量所定義的合適方式進行分類；

（4）數據壓縮：減少輸出向量維數以便於傳輸或存儲。

3、卷積神經網路：可應用於圖像識別、物體識別等計算機視覺、自然語言處理、物理學和遙感科學等領域。

聯系：

BP神經網路和卷積神經網路都屬於前饋神經網路，三者都屬於人工神經網路。因此，三者原理和結構相同。

三、作用不同

1、前饋神經網路：結構簡單，應用廣泛，能夠以任意精度逼近任意連續函數及平方可積函數．而且可以精確實現任意有限訓練樣本集。

2、BP神經網路：具有很強的非線性映射能力和柔性的網路結構。網路的中間層數、各層的神經元個數可根據具體情況任意設定，並且隨著結構的差異其性能也有所不同。

3、卷積神經網路：具有表徵學習能力，能夠按其階層結構對輸入信息進行平移不變分類。

(7)卷積神經網路可以任意設置層數嗎擴展閱讀：

1、BP神經網路優劣勢

BP神經網路無論在網路理論還是在性能方面已比較成熟。其突出優點就是具有很強的非線性映射能力和柔性的網路結構。網路的中間層數、各層的神經元個數可根據具體情況任意設定，並且隨著結構的差異其性能也有所不同。但是BP神經網路也存在以下的一些主要缺陷。

①學習速度慢，即使是一個簡單的問題，一般也需要幾百次甚至上千次的學習才能收斂。

②容易陷入局部極小值。

③網路層數、神經元個數的選擇沒有相應的理論指導。

④網路推廣能力有限。

2、人工神經網路的特點和優越性，主要表現在以下三個方面

①具有自學習功能。例如實現圖像識別時，只在先把許多不同的圖像樣板和對應的應識別的結果輸入人工神經網路，網路就會通過自學習功能，慢慢學會識別類似的圖像。自學習功能對於預測有特別重要的意義。預期未來的人工神經網路計算機將為人類提供經濟預測、效益預測，其應用前途是很遠大的。

②具有聯想存儲功能。用人工神經網路的反饋網路就可以實現這種聯想。

③具有高速尋找優化解的能力。尋找一個復雜問題的優化解，往往需要很大的計算量，利用一個針對某問題而設計的反饋型人工神經網路，發揮計算機的高速運算能力，可能很快找到優化解。

H. 【閱讀筆記】改進卷積神經網路的14個小技巧

原文： https://mp.weixin.qq.com/s/Lh_lJNvV9BGhc6no2ln-_g

原題目誤導性太大

1）架構要遵循應用

你也許會被 Google Brain 或者 DeepMind 這些奇特的實驗室所發明的那些耀眼的新模型所吸引，但是其中許多在你的用例或者業務環境中要麼是不可能實現，要麼是實現起來非常不現實。你應該使用對你的特定應用最有意義的模型，這種模型或許比較簡單，但是仍然很強大，例如 VGG。

2）網路路徑的激增

每年的 ImageNet Challenge 的冠軍都會使用比上一屆冠軍更加深層的網路。從 AlexNet 到 Inception，再到 ResNet，Smith 注意到了「網路中路徑數量倍增」的趨勢，並且「ResNet 可以是不同長度的網路的指數集合」。

3）爭取簡單

然而，更大的並不一定是更好的。在名為「Bigger is not necessarily better」的論文中，Springenberg 等人演示了如何用更少的單元實現最先進的結果。參考：https://arxiv.org/pdf/1412.6806.pdf

4）增加對稱性

無論是在建築上，還是在生物上，對稱性被認為是質量和工藝的標志。Smith 將 FractalNet 的優雅歸功於網路的對稱性。

5）金字塔式的形狀

你也許經常在表徵能力和減少冗餘或者無用信息之間權衡。卷積神經網路通常會降低激活函數的采樣，並會增加從輸入層到最終層之間的連接通道。

6）過度訓練

另一個權衡是訓練准確度和泛化能力。用類似 drop-out 或者 drop-path 的方法進行正則化可以提高泛化能力，這是神經網路的重要優勢。請在比你的實際用例更加苛刻的問題下訓練你的網路，以提高泛化性能。

7）全面覆蓋問題空間

為了擴展你的訓練數據和提升泛化能力，請使用雜訊和數據增強，例如隨機旋轉、裁剪和一些圖像操作。

8）遞增的特徵構造

隨著網路結構越來越成功，它們進一部簡化了每一層的「工作」。在非常深層的神經網路中，每一層僅僅會遞增的修改輸入。在 ResNets 中，每一層的輸出和它的輸入時很相似的，這意味著將兩層加起來就是遞增。實踐中，請在 ResNet 中使用較短的跳變長度。

9）標准化層的輸入

標准化是另一個可以使計算層的工作變得更加容易的方法，在實踐中被證明可以提升訓練和准確率。批量標准化（batch normalization）的發明者認為原因在於處理內部的協變數，但是 Smith 認為，「標准化把所有層的輸入樣本放在了一個平等的基礎上（類似於一種單位轉換），這允許反向傳播可以更有效地訓練」。

10）輸入變換

研究表明，在 Wide ResNets 中，性能會隨著連接通道的增加而增強，但是你需要權衡訓練代價與准確度。AlexNet、VGG、Inception 和 ResNets 都在第一層使用了輸入變換以讓輸入數據能夠以多種方式被檢查。

11）可用的資源決指引著層的寬度

然而，可供選擇的輸出數量並不是顯而易見的，這依賴於你的硬體能力以及期望的准確度。

12）Summation Joining

Summation 是一種常用的合並分支的方式。在 ResNets 中，使用總和作為連接的機制可以讓每一個分支都能計算殘差和整體近似。如果輸入跳躍連接一直存在，那麼 summation 會讓每一層學到正確地東西（例如與輸入的差別）。在任何分支都可以被丟棄的網路（例如 FractalNet）中，你應該使用這種方式類保持輸出的平滑。

13）下采樣變換

在池化的時候，利用級聯連接（concatenation joining）來增加輸出的數量。當使用大於 1 的步長時，這會同時處理連接並增加連接通道的數量。

14）用於競爭的 Maxout

Maxout 被用在你只需要選擇一個激活函數的局部競爭網路中。使用求和以及平均值會包含所有的激活函數，所以不同之處在於 maxout 只選擇一個「勝出者」。Maxout 的一個明顯的用例是每個分支具有不同大小的內核，而 Maxout 可以包含尺度不變性。

1）使用調優過的預訓練網路

「如果你的視覺數據和 ImageNet 相似，那麼使用預訓練網路會幫助你學習得更快」，機器學習公司 Diffbot 的 CEO Mike Tung 解釋說。低水平的卷積神經網路通常可以被重復使用，因為它們大多能夠檢測到像線條以及邊緣這些模式。將分類層用你自己的層替換，並且用你特定的數據去訓練最後的幾個層。

2）使用 freeze-drop-path

Drop-path 會在訓練的迭代過程中隨機地刪除一些分支。Smith 測試了一種相反的方法，它被稱為 freeze-path，就是一些路徑的權重是固定的、不可訓練的，而不是整體刪除。因為下一個分支比以前的分支包含更多的層，並且正確的內容更加容易近似得到，所以網路應該會得到更好的准確度。

3）使用循環的學習率

關於學習率的實驗會消耗大量的時間，並且會讓你遇到錯誤。自適應學習率在計算上可能是非常昂貴的，但是循環學習率不會這樣。使用循環學習率（CLR）時，你可以設置一組最大最小邊界，在邊界范圍內改變學習率。Smith 甚至還在論文《Cyclical Learning Rates for Training Neural Networks》中提供了計算學習率的最大值和最小值的方法。參考：https://arxiv.org/pdf/1506.01186.pdf

4）在有雜訊的標簽中使用 bootstrapping 

在現實中，很多數據都是混亂的，標簽都是主觀性的或者是缺失的，而且預測的對象可能是訓練的時候未曾遇到過的。Reed 等人在文章《TRAINING DEEP NEURAL NETWORKS ON NOISY LABELS WITH BOOTSTRAPPING》中描述了一種給網路預測目標注入一致性的方法。直觀地講，這可以奏效，通過使網路利用對環境的已知表示（隱含在參數中）來過濾可能具有不一致的訓練標簽的輸入數據，並在訓練時清理該數據。參考：https://arxiv.org/pdf/1412.6596

5）採用有 Maxout 的 ELU，而不是 ReLU

ELU 是 ReLU 的一個相對平滑的版本，它能加速收斂並提高准確度。與 ReLU 不同，ELU 擁有負值，允許它們以更低的計算復雜度將平均單位激活推向更加接近 0 的值，就像批量標准化一樣參考論文《FAST AND ACCURATE DEEP NETWORK LEARNING BY EXPONENTIAL LINEAR UNITS (ELUS)》，https://arxiv.org/pdf/1511.07289.pdf。如果您使用具有全連接層的 Maxout，它們是特別有效的。