1. 一文读懂神经网络
要说近几年最引人注目的技术，无疑的，非人工智能莫属。无论你是否身处科技互联网行业，随处可见人工智能的身影：从 AlphaGo 击败世界围棋冠军，到无人驾驶概念的兴起，再到科技巨头 All in AI，以及各大高校向社会输送海量的人工智能专业的毕业生。以至于人们开始萌生一个想法：新的革命就要来了，我们的世界将再次发生一次巨变；而后开始焦虑：我的工作是否会被机器取代？我该如何才能抓住这次革命？
人工智能背后的核心技术是深度神经网络（Deep Neural Network），大概是一年前这个时候，我正在回老家的高铁上学习 3Blue1Brown 的 Neural Network 系列视频课程，短短 4 集 60 多分钟的时间，就把神经网络从 High Level 到推导细节说得清清楚楚，当时的我除了获得新知的兴奋之外，还有一点新的认知，算是给头脑中的革命性的技术泼了盆冷水：神经网络可以解决一些复杂的、以前很难通过写程序来完成的任务——例如图像、语音识别等，但它的实现机制告诉我，神经网络依然没有达到生物级别的智能，短期内期待它来取代人也是不可能的。
一年后的今天，依然在这个春运的时间点，将我对神经网络的理解写下来，算是对这部分知识的一个学习笔记，运气好的话，还可以让不了解神经网络的同学了解起来。
维基网络这样解释 神经网络 ：
这个定义比较宽泛，你甚至还可以用它来定义其它的机器学习算法，例如之前我们一起学习的逻辑回归和 GBDT 决策树。下面我们具体一点，下图是一个逻辑回归的示意图：
其中 x1 和 x2 表示输入，w1 和 w2 是模型的参数，z 是一个线性函数：
接着我们对 z 做一个 sigmod 变换（图中蓝色圆），得到输出 y：
其实，上面的逻辑回归就可以看成是一个只有 1 层 输入层 ， 1 层 输出层 的神经网络，图中容纳数字的圈儿被称作 神经元 ；其中，层与层之间的连接 w1、w2 以及 b，是这个 神经网络的参数 ，层之间如果每个神经元之间都保持着连接，这样的层被称为 全连接层 （Full Connection Layer），或 稠密层 （Dense Layer）；此外，sigmoid 函数又被称作 激活函数 （Activation Function），除了 sigmoid 外，常用的激活函数还有 ReLU、tanh 函数等，这些函数都起到将线性函数进行非线性变换的作用。我们还剩下一个重要的概念： 隐藏层 ，它需要把 2 个以上的逻辑回归叠加起来加以说明：
如上图所示，除输入层和输出层以外，其他的层都叫做 隐藏层 。如果我们多叠加几层，这个神经网络又可以被称作 深度神经网络 （Deep Neural Network），有同学可能会问多少层才算“深”呢？这个没有绝对的定论，个人认为 3 层以上就算吧：）
以上，便是神经网络，以及神经网络中包含的概念，可见，神经网络并不特别，广义上讲，它就是
可见，神经网络和人脑神经也没有任何关联，如果我们说起它的另一个名字—— 多层感知机（Mutilayer Perceptron） ，就更不会觉得有多么玄乎了，多层感知机创造于 80 年代，可为什么直到 30 年后的今天才爆发呢？你想得没错，因为改了个名字……开个玩笑；实际上深度学习这项技术也经历过很长一段时间的黑暗低谷期，直到人们开始利用 GPU 来极大的提升训练模型的速度，以及几个标志性的事件：如 AlphaGo战胜李世石、Google 开源 TensorFlow 框架等等，感兴趣的同学可以翻一下这里的历史。
就拿上图中的 3 个逻辑回归组成的神经网络作为例子，它和普通的逻辑回归比起来，有什么优势呢？我们先来看下单逻辑回归有什么劣势，对于某些情况来说，逻辑回归可能永远无法使其分类，如下面数据：
这 4 个样本画在坐标系中如下图所示
因为逻辑回归的决策边界（Decision Boundary）是一条直线，所以上图中的两个分类，无论你怎么做，都无法找到一条直线将它们分开，但如果借助神经网络，就可以做到这一点。
由 3 个逻辑回归组成的网络（这里先忽略 bias）如下：
观察整个网络的计算过程，在进入输出层之前，该网络所做的计算实际上是：
即把输入先做了一次线性变换（Linear Transformation），得到 [z1, z2] ，再把 [z1, z2] 做了一个非线性变换（sigmoid），得到 [x1', x2'] ，（线性变换的概念可以参考 这个视频 ）。从这里开始，后面的操作就和一个普通的逻辑回归没有任何差别了，所以它们的差异在于： 我们的数据在输入到模型之前，先做了一层特征变换处理（Feature Transformation，有时又叫做特征抽取 Feature Extraction），使之前不可能被分类的数据变得可以分类了 。
我们继续来看下特征变换的效果，假设 为 ，带入上述公式，算出 4 个样本对应的 [x1', x2'] 如下：
再将变换后的 4 个点绘制在坐标系中：
显然，在做了特征变换之后，这两个分类就可以很容易的被一条决策边界分开了。
所以， 神经网络的优势在于，它可以帮助我们自动的完成特征变换或特征提取 ，尤其对于声音、图像等复杂问题，因为在面对这些问题时，人们很难清晰明确的告诉你，哪些特征是有用的。
在解决特征变换的同时，神经网络也引入了新的问题，就是我们需要设计各式各样的网络结构来针对性的应对不同的场景，例如使用卷积神经网络（CNN）来处理图像、使用长短期记忆网络（LSTM）来处理序列问题、使用生成式对抗网络（GAN）来写诗和作图等，就连去年自然语言处理（NLP）中取得突破性进展的 Transformer/Bert 也是一种特定的网络结构。所以， 学好神经网络，对理解其他更高级的网络结构也是有帮助的 。
上面说了，神经网络可以看作一个非线性函数，该函数的参数是连接神经元的所有的 Weights 和 Biases，该函数可以简写为 f(W, B) ，以手写数字识别的任务作为例子：识别 MNIST 数据集 中的数字，数据集（MNIST 数据集是深度学习中的 HelloWorld）包含上万张不同的人写的数字图片，共有 0-9 十种数字，每张图片为 28*28=784 个像素，我们设计一个这样的网络来完成该任务：
把该网络函数所具备的属性补齐：
接下来的问题是，这个函数是如何产生的？这个问题本质上问的是这些参数的值是怎么确定的。
在机器学习中，有另一个函数 c 来衡量 f 的好坏，c 的参数是一堆数据集，你输入给 c 一批 Weights 和 Biases，c 输出 Bad 或 Good，当结果是 Bad 时，你需要继续调整 f 的 Weights 和 Biases，再次输入给 c，如此往复，直到 c 给出 Good 为止，这个 c 就是损失函数 Cost Function（或 Loss Function）。在手写数字识别的列子中，c 可以描述如下：
可见，要完成手写数字识别任务，只需要调整这 12730 个参数，让损失函数输出一个足够小的值即可，推而广之，绝大部分神经网络、机器学习的问题，都可以看成是定义损失函数、以及参数调优的问题。
在手写识别任务中，我们既可以使用交叉熵（Cross Entropy）损失函数，也可以使用 MSE（Mean Squared Error）作为损失函数，接下来，就剩下如何调优参数了。
神经网络的参数调优也没有使用特别的技术，依然是大家刚接触机器学习，就学到的梯度下降算法，梯度下降解决了上面迭代过程中的遗留问题——当损失函数给出 Bad 结果时，如何调整参数，能让 Loss 减少得最快。
梯度可以理解为：
把 Loss 对应到 H，12730 个参数对应到 (x,y)，则 Loss 对所有参数的梯度可以表示为下面向量，该向量的长度为 12730：
$$
abla L(w,b) = left[
frac{partial L}{partial w_1},
frac{partial L}{partial w_2},...,
frac{partial L}{partial b_{26}}
ight] ^ op
$$
所以，每次迭代过程可以概括为
用梯度来调整参数的式子如下（为了简化，这里省略了 bias）：
上式中， 是学习率，意为每次朝下降最快的方向前进一小步，避免优化过头（Overshoot）。
由于神经网络参数繁多，所以需要更高效的计算梯度的算法，于是，反向传播算法（Backpropagation）呼之欲出。
在学习反向传播算法之前，我们先复习一下微积分中的链式法则（Chain Rule）：设 g = u(h) ， h = f(x) 是两个可导函数，x 的一个很小的变化 △x 会使 h 产生一个很小的变化 △h，从而 g 也产生一个较小的变化 △g，现要求 △g/△x，可以使用链式法则：
有了以上基础，理解反向传播算法就简单了。
假设我们的演示网络只有 2 层，输入输出都只有 2 个神经元，如下图所示：
其中 是输入， 是输出， 是样本的目标值，这里使用的损失函数 L 为 MSE；图中的上标 (1) 或 (2) 分别表示参数属于第 (1) 层或第 (2) 层，下标 1 或 2 分别表示该层的第 1 或 第 2 个神经元。
现在我们来计算 和 ，掌握了这 2 个参数的偏导数计算之后，整个梯度的计算就掌握了。
所谓反向传播算法，指的是从右向左来计算每个参数的偏导数，先计算 ，根据链式法则
对左边项用链式法则展开
又 是输出值， 可以直接通过 MSE 的导数算出：
而 ，则 就是 sigmoid 函数的导数在 处的值，即
于是 就算出来了：
再来看 这一项，因为
所以
注意：上面式子对于所有的 和 都成立，且结果非常直观，即 对 的偏导为左边的输入 的大小；同时，这里还隐含着另一层意思：需要调整哪个 来影响 ，才能使 Loss 下降得最快，从该式子可以看出，当然是先调整较大的 值所对应的 ，效果才最显着 。
于是，最后一层参数 的偏导数就算出来了
我们再来算上一层的 ，根据链式法则 ：
继续展开左边这一项
你发现没有，这几乎和计算最后一层一摸一样，但需要注意的是，这里的 对 Loss 造成的影响有多条路径，于是对于只有 2 个输出的本例来说：
上式中， 都已经在最后一层算出，下面我们来看下 ，因为
于是
同理
注意：这里也引申出梯度下降的调参直觉：即要使 Loss 下降得最快，优先调整 weight 值比较大的 weight。
至此， 也算出来了
观察上式， 所谓每个参数的偏导数，通过反向传播算法，都可以转换成线性加权（Weighted Sum）计算 ，归纳如下：
式子中 n 代表分类数，(l) 表示第 l 层，i 表示第 l 层的第 i 个神经元。 既然反向传播就是一个线性加权，那整个神经网络就可以借助于 GPU 的矩阵并行计算了 。
最后，当你明白了神经网络的原理，是不是越发的认为，它就是在做一堆的微积分运算，当然，作为能证明一个人是否学过微积分，神经网络还是值得学一下的。Just kidding ..
本文我们通过
这四点，全面的学习了神经网络这个知识点，希望本文能给你带来帮助。
参考：
2. 【神经网络原理】神经网络结构 & 符号约定
神经元模型的符号约定：输入： ，权重(weight)： ，偏置(bias)： ，未激活值： ，激活输出值：
神经元可用于解决部分二分类问题 ——当有一个类别未知的 输入感知机，若 输出值a = 1时，感知机被激活 ，代表 x 属于第一类；若 输出值a = 0时，感知机未激活 ，则代表 x 属于第二类。而对于sigmoid神经元，若输出值a ≥ 0.5时，代表 x 属于第一类，否则为第二类。
不难看出，感知机可以轻松实现“与非”逻辑，而与非逻辑可以组合成其他任意的逻辑，但对于一些过于复杂的问题，我们难以写出其背后地逻辑结构。 这时候神经网络就能大显身手 ：它可以自适应的学习规律，调节网络地权重和偏置等参数，我们只需要用大量的数据对其正确地训练，即可得到我们想要的效果！
那有一个很有意思的问题：相比于阶跃函数，为什么我们在神经网络中更愿意采用sigmoid函数作为激活函数呢？
首先，由于感知机的激活函数为阶跃函数（在0处突变），权重的一个小的变化就可能导致输出值的突变，而如果将激活函数替换为sigmoid函数，输出值的变化就能发生相应的小的变化，有利于网络学习；另外，由于采用二次代价函数作为损失函数时，利用BP算法求梯度值需要对冲激函数求导，sigmoid函数正好时连续可导的，而且导数很好求。
为了便于理解，先画一个三层的全连接神经网络示意图，激活函数都选用sigmoid函数。 全连接神经网络 指除输出层外，每一个神经元都与下一层中的各神经元相连接。网络的第一层为 输入层 ，最后一层为 输出层 ，中间的所有层统称为 隐藏层 。其中，输入层的神经元比较特殊，不含偏置 ，也没有激活函数 。
神经网络结构的符号约定 ： 代表第 层的第 个神经元与第 层的第 个神经元连线上的权重； 代表第 层与第 层之间的所有权重 构成的权重矩阵。 分别代表第 层的第 个神经元对应的偏置、未激活值、激活值； 则分别代表第 层的所有偏置组成的列向量、所有未激活值组成的列向量以及所有激活值组成的列向量。
下面展示了一个手写体识别的三层全连接神经网络结构：
隐藏层的功能可以看作是各种特征检测器的组合：检测到相应特征时，相应的隐藏层神经元就会被激活，从而使输出层相应的神经元也被激活。
3. AlphaGo的神奇全靠它，详解人工神经网络!
Alphago在不被看好的情况下，以4比1击败了围棋世界冠军李世石，令其名震天下。随着AlphaGo知名度的不断提高，人们不禁好奇，究竟是什么使得AlphaGo得以战胜人类大脑？AlphaGo的核心依托——人工神经网络。
什么是神经网络?
人工神经网络是一种模仿生物神经网络(动物的中枢神经系统，特别是大脑)的结构和功能的数学模型或计算模型。神经网络由大量的人工神经元联结进行计算。大多数情况下人工神经网络能在外界信息的基础上改变内部结构，是一种自适应系统。现代神经网络是一种非线性统计性数据建模工具，常用来对输入和输出间复杂的关系进行建模，或用来探索数据的模式。
神经网络是一种运算模型，由大量的节点（或称“神经元”，或“单元”）和之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数，称为激励函数。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值，称之为权重，这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式，权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近，也可能是对一种逻辑策略的表达。
例如，用于手写识别的一个神经网络是被可由一个输入图像的像素被激活的一组输入神经元所定义的。在通过函数（由网络的设计者确定）进行加权和变换之后，这些神经元被激活然后被传递到其他神经元。重复这一过程，直到最后一个输出神经元被激活。这样决定了被读取的字。
它的构筑理念是受到人或其他动物神经网络功能的运作启发而产生的。人工神经网络通常是通过一个基于数学统计学类型的学习方法得以优化，所以人工神经网络也是数学统计学方法的一种实际应用，通过统计学的标准数学方法我们能够得到大量的可以用函数来表达的局部结构空间，另一方面在人工智能学的人工感知领域，我们通过数学统计学的应用可以来做人工感知方面的决定问题(也就是说通过统计学的方法，人工神经网络能够类似人一样具有简单的决定能力和简单的判断能力)，这种方法比起正式的逻辑学推理演算更具有优势。
人工神经网络是一个能够学习，能够总结归纳的系统，也就是说它能够通过已知数据的实验运用来学习和归纳总结。人工神经网络通过对局部情况的对照比较（而这些比较是基于不同情况下的自动学习和要实际解决问题的复杂性所决定的），它能够推理产生一个可以自动识别的系统。与之不同的基于符号系统下的学习方法，它们也具有推理功能，只是它们是建立在逻辑算法的基础上，也就是说它们之所以能够推理，基础是需要有一个推理算法则的集合。
2AlphaGo的原理回顶部
AlphaGo的原理
首先，AlphaGo同优秀的选手进行了150000场比赛，通过人工神经网络找到这些比赛的模式。然后通过总结，它会预测选手在任何位置高概率进行的一切可能。AlphaGo的设计师通过让其反复的和早期版本的自己对战来提高神经网络，使其逐步提高获胜的机会。
从广义上讲，神经网络是一个非常复杂的数学模型，通过对其高达数百万参数的调整来改变的它的行为。神经网络学习的意思是，电脑一直持续对其参数进行微小的调整，来尝试使其不断进行微小的改进。在学习的第一阶段，神经网络提高模仿选手下棋的概率。在第二阶段，它增加自我发挥，赢得比赛的概率。反复对极其复杂的功能进行微小的调整，听起来十分疯狂，但是如果有足够长的时间，足够快的计算能力，非常好的网络实施起来并不苦难。并且这些调整都是自动进行的。
经过这两个阶段的训练，神经网络就可以同围棋业余爱好者下一盘不错的棋了。但对于职业来讲，它还有很长的路要走。在某种意义上，它并不思考每一手之后的几步棋，而是通过对未来结果的推算来决定下在哪里。为了达到职业级别，AlphaGp需要一种新的估算方法。
为了克服这一障碍，研究人员采取的办法是让它反复的和自己进行对战，以此来使其不断其对于胜利的估算能力。尽可能的提高每一步的获胜概率。（在实践中，AlphaGo对这个想法进行了稍微复杂的调整。）然后，AlphaGo再结合多线程来使用这一方法进行下棋。
我们可以看到，AlphaGo的评估系统并没有基于太多的围棋知识，通过分析现有的无数场比赛的棋谱，以及无数次的自我对战练习，AlphaGo的神经网络进行了数以十亿计的微小调整，即便每次只是一个很小的增量改进。这些调整帮助AlphaGp建立了一个估值系统，这和那些出色围棋选手的直觉相似，对于棋盘上的每一步棋都了如指掌。
此外AlphaGo也使用搜索和优化的思想，再加上神经网络的学习功能，这两者有助于找到棋盘上更好的位置。这也是目前AlphaGo能够高水平发挥的原因。
3神经网络的延伸和限制回顶部
神经网络的延伸和限制
神经网络的这种能力也可以被用在其他方面，比如让神经网络学习一种艺术风格，然后再将这种风格应用到其他图像上。这种想法很简单：首先让神经网络接触到大量的图像，然后来确认这些图像的风格，接着将新的图像带入这种风格。
这虽然不是伟大的艺术，但它仍然是一个显着的利用神经网络来捕捉直觉并且应用在其他地方的例子。
在过去的几年中，神经网络在许多领域被用来捕捉直觉和模式识别。许多项目使用神经这些网络，涉及的任务如识别艺术风格或好的视频游戏的发展战略。但也有非常不同的网络模拟的直觉惊人的例子，比如语音和自然语言。
由于这种多样性，我看到AlphaGo本身不是一个革命性的突破，而是作为一个极其重要的发展前沿：建立系统，可以捕捉的直觉和学会识别模式的能力。此前计算机科学家们已经做了几十年，没有取得长足的进展。但现在，神经网络的成功已经大大扩大，我们可以利用电脑攻击范围内的潜在问题。
事实上，目前现有的神经网络的理解能力是非常差的。神经网络很容易被愚弄。用神经网络识别图像是一个不错的手段。但是实验证明，通过对图像进行细微的改动，就可以愚弄图像。例如，下面的图像左边的图是原始图，研究人员对中间的图像进行了微小的调整后，神经网络就无法区分了，就将原图显示了出来。
另一个限制是，现有的系统往往需要许多模型来学习。例如，AlphaGo从150000场对战来学习。这是一个很庞大额度数字！很多情况下，显然无法提供如此庞大的模型案例。
4. 利用pytorch CNN手写字母识别神经网络模型识别多手写字母（A-Z）
往期的文章，我们分享了手写字母的训练与识别
使用EMNIST数据集训练第一个pytorch CNN手写字母识别神经网络
利用pytorch CNN手写字母识别神经网络模型识别手写字母
哪里的文章，我们只是分享了单个字母的识别，如何进行多个字母的识别，其思路与多数字识别类似，首先对图片进行识别，并进行每个字母闷梁历的轮廓识别，然后进行字母的识别，识别完成后，直接在图片上进行多个字母识别结果的备注
Pytorch利用CNN卷积神经网络进行多数字（0-9）识别
根据上期文章的分享，我们搭建一个手写字母识别的神经网络
第一层，我们输入Eminist的数据集，Eminist的数据图片是一维 28*28的图片，所以第一层的输入（1，28，28），高度为1，设置输出16通道，使用5*5的卷积核对图片进行卷积运算，每步移动一格，为了避免图片尺寸变化，设置pading为2，则经过第一层卷积就输出（16，28，28）数据格式
再经过relu与maxpooling （使用2*2卷积核）数据输出（16，14，14）
第二层卷积层是简化写法nn.Conv2d(16, 32, 5, 1, 2)的第一个参数为输入通道数in_channels=16，其第二个参数是输出通道数out_channels=32, # n_filters（输出通道数），第三个参数为卷积核大小，第四个参数为卷积步数，最后一个为pading,此参数为保证输入输出图片的尺寸大小一致
全连接层，最后使用nn.linear()全连接层进行数据的全连接数据结构（32*7*7,37）以上便是整个卷积神经网络的结构，
大致为：input-卷积-Relu-pooling-卷积
-Relu-pooling-linear-output
卷积神经网络建完后，使用forward（）前向传播神经网络进行输入图片的识别
这里我们使用腐蚀，膨胀操作对图片进行一下预处理操作，方便神经网络的识别，当然，我们往期的字母数字渣稿识别也可以添加此预处理操作，方便神经网络进行预测，提高精度
getContours函数主要是进行图片中数字区域的区分，把每个数字的坐标检测出来，这样就可以 把每个字母进行CNN卷积神经网络的识别，进而实现多个字母识别的目的
首先，蚂搜输入一张需要检测的图片，通过preProccessing图片预处理与getContours函数获取图片中的每个字母的轮廓位置
transforms.Compose此函数可以 把输入图片进行pytorch相关的图片操作，包括转换到torch，灰度空间转换，resize，缩放等等操作
然后加载我们前期训练好的模型
由于神经网络识别完成后，反馈给程序的是字母的 UTF-8编码，我们通过查表来找到对应的字母
字符编码表（UTF-8）
通过上面的操作，我们已经识别出了图片中包括的字母轮廓，我们遍历每个字母轮廓，获取单个字母图片数据，这里需要特殊提醒一下 ：我们知道EMNIST数据库左右翻转图片后，又进行了图片的逆时针旋转90度
这里我们使用cv2.flip(imgRes,1)函数，进行图片的镜像，并使用getRotationMatrix2D函数与warpAffine函数配合来进行图片的旋转操作，这里就没有PIL来的方便些
然后，我们对图片数据进行torch转换train_transform(imgRes)，并传递给神经网络进行识别
待识别完成后，就可以把结果备注在原始图片上
5. 卷积神经网络
卷积神经网络 （Convolutional Neural Networks，CNN）是一种前馈神经网络。卷积神经网络是受生物学上感受野（Receptive Field）的机制而提出的。感受野主要是指听觉系统、本体感觉系统和视觉系统中神经元的一些性质。比如在视觉神经系统中，一个神经元的感受野是指视网膜上的特定区域，只有这个区域内的刺激才能够激活该神经元。
卷积神经网络又是怎样解决这个问题的呢？主要有三个思路：
在使用CNN提取特征时，到底使用哪一层的输出作为最后的特征呢？
答：倒数第二个全连接层的输出才是最后我们要提取的特征，也就是最后一个全连接层的输入才是我们需要的特征。
全连接层会忽视形状。卷积层可以保持形状不变。当输入数据是图像时，卷积层会以3维数据的形式接收输入数据，并同样以3维数据的形式输出至下一层。因此，在CNN中，可以（有可能）正确理解图像等具有形状的数据。
CNN中，有时将 卷积层的输入输出数据称为特征图（feature map） 。其中， 卷积层的输入数据称为输入特征图（input feature map） ， 输出数据称为输出特征图（output feature map）。
卷积层进行的处理就是 卷积运算 。卷积运算相当于图像处理中的“滤波器运算”。
滤波器相当于权重或者参数，滤波器数值都是学习出来的。 卷积层实现的是垂直边缘检测 。
边缘检测实际就是将图像由亮到暗进行区分，即边缘的过渡(edge transitions)。
卷积层对应到全连接层，左上角经过滤波器，得到的3，相当于一个神经元输出为3.然后相当于，我们把输入矩阵拉直为36个数据，但是我们只对其中的9个数据赋予了权重。
步幅为1 ，移动一个，得到一个1，相当于另一个神经单元的输出是1.
并且使用的是同一个滤波器，对应到全连接层，就是权值共享。
在这个例子中，输入数据是有高长方向的形状的数据，滤波器也一样，有高长方向上的维度。假设用（height, width）表示数据和滤波器的形状，则在本例中，输入大小是(4, 4)，滤波器大小是(3, 3)，输出大小是(2, 2)。另外，有的文献中也会用“核”这个词来表示这里所说的“滤波器”。
对于输入数据，卷积运算以一定间隔滑动滤波器的窗口并应用。这里所说的窗口是指图7-4中灰色的3 × 3的部分。如图7-4所示，将各个位置上滤
波器的元素和输入的对应元素相乘，然后再求和（有时将这个计算称为乘积累加运算）。然后，将这个结果保存到输出的对应位置。将这个过程在所有位置都进行一遍，就可以得到卷积运算的输出。
CNN中，滤波器的参数就对应之前的权重。并且，CNN中也存在偏置。
在进行卷积层的处理之前，有时要向输入数据的周围填入固定的数据（比如0等），这称为填充（padding），是卷积运算中经常会用到的处理。比如，在图7-6的例子中，对大小为(4, 4)的输入数据应用了幅度为1的填充。“幅度为1的填充”是指用幅度为1像素的0填充周围。
应用滤波器的位置间隔称为 步幅（stride） 。
假设输入大小为(H, W)，滤波器大小为(FH, FW)，输出大小为(OH, OW)，填充为P，步幅为S。
但是所设定的值必须使式（7.1）中的 和 分别可以除尽。当输出大小无法除尽时（结果是小数时），需要采取报错等对策。顺便说一下，根据深度学习的框架的不同，当值无法除尽时，有时会向最接近的整数四舍五入，不进行报错而继续运行。
之前的卷积运算的例子都是以有高、长方向的2维形状为对象的。但是，图像是3维数据，除了高、长方向之外，还需要处理通道方向。
在3维数据的卷积运算中，输入数据和滤波器的通道数要设为相同的值。
因此，作为4维数据，滤波器的权重数据要按(output_channel, input_channel, height, width)的顺序书写。比如，通道数为3、大小为5 × 5的滤
波器有20个时，可以写成(20, 3, 5, 5)。
对于每个通道，均使用自己的权值矩阵进行处理，输出时将多个通道所输出的值进行加和即可。
卷积运算的批处理，需要将在各层间传递的数据保存为4维数据。具体地讲，就是按(batch_num, channel, height, width)的顺序保存数据。
这里需要注意的是，网络间传递的是4维数据，对这N个数据进行了卷积运算。也就是说，批处理将N次的处理汇总成了1次进行。
池化是缩小高、长方向上的空间的运算。比如，如图7-14所示，进行将2 × 2的区域集约成1个元素的处理，缩小空间大小。
图7-14的例子是按步幅2进行2 × 2的Max池化时的处理顺序。“Max池化”是获取最大值的运算，“2 × 2”表示目标区域的大小。如图所示，从
2 × 2的区域中取出最大的元素。此外，这个例子中将步幅设为了2，所以2 × 2的窗口的移动间隔为2个元素。另外，一般来说，池化的窗口大小会和步幅设定成相同的值。比如，3 × 3的窗口的步幅会设为3，4 × 4的窗口的步幅会设为4等。
除了Max池化之外，还有Average池化等。相对于Max池化是从目标区域中取出最大值，Average池化则是计算目标区域的平均值。 在图像识别领域，主要使用Max池化。 因此，本书中说到“池化层”时，指的是Max池化。
池化层的特征
池化层有以下特征。
没有要学习的参数
池化层和卷积层不同，没有要学习的参数。池化只是从目标区域中取最大值（或者平均值），所以不存在要学习的参数。
通道数不发生变化
经过池化运算，输入数据和输出数据的通道数不会发生变化。如图7-15所示，计算是按通道独立进行的。
对微小的位置变化具有鲁棒性（健壮）
输入数据发生微小偏差时，池化仍会返回相同的结果。因此，池化对输入数据的微小偏差具有鲁棒性。比如，3 × 3的池化的情况下，如图
7-16所示，池化会吸收输入数据的偏差（根据数据的不同，结果有可能不一致）。
经过卷积层和池化层之后，进行Flatten，然后丢到全连接前向传播神经网络。
（找到一张图片使得某个filter响应最大。相当于filter固定，未知的是输入的图片。）未知的是输入的图片？？？
k是第k个filter，x是我们要找的参数。?这里我不是很明白。我得理解应该是去寻找最具有代表性的特征。
使用im2col来实现卷积层
卷积层的参数是需要学习的，但是池化层没有参数需要学习。全连接层的参数需要训练得到。
池化层不需要训练参数。全连接层的参数最多。卷积核的个数逐渐增多。激活层的size，逐渐减少。
最大池化只是计算神经网络某一层的静态属性，没有什么需要学习的，它只是一个静态属性 。
像这样展开之后，只需对展开的矩阵求各行的最大值，并转换为合适的形状即可（图7-22）。
参数
• input_dim ― 输入数据的维度：（ 通道，高，长 ）
• conv_param ― 卷积层的超参数（字典）。字典的关键字如下：
filter_num ― 滤波器的数量
filter_size ― 滤波器的大小
stride ― 步幅
pad ― 填充
• hidden_size ― 隐藏层（全连接）的神经元数量
• output_size ― 输出层（全连接）的神经元数量
• weitght_int_std ― 初始化时权重的标准差
LeNet
LeNet在1998年被提出，是进行手写数字识别的网络。如图7-27所示，它有连续的卷积层和池化层（正确地讲，是只“抽选元素”的子采样层），最后经全连接层输出结果。
和“现在的CNN”相比，LeNet有几个不同点。第一个不同点在于激活函数。LeNet中使用sigmoid函数，而现在的CNN中主要使用ReLU函数。
此外，原始的LeNet中使用子采样（subsampling）缩小中间数据的大小，而现在的CNN中Max池化是主流。
AlexNet
在LeNet问世20多年后，AlexNet被发布出来。AlexNet是引发深度学习热潮的导火线，不过它的网络结构和LeNet基本上没有什么不同，如图7-28所示。
AlexNet叠有多个卷积层和池化层，最后经由全连接层输出结果。虽然结构上AlexNet和LeNet没有大的不同，但有以下几点差异。
• 激活函数使用ReLU。
• 使用进行局部正规化的LRN（Local Response Normalization）层。
• 使用Dropout
TF2.0实现卷积神经网络
valid意味着不填充，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，我们可以设定 padding 策略。在 tf.keras.layers.Conv2D 中，当我们将 padding 参数设为 same 时，会将周围缺少的部分使用 0 补齐，使得输出的矩阵大小和输入一致。
6. 神经网络：卷积神经网络（CNN）
神经网络 最早是由心理学家和神经学家提出的，旨在寻求开发和测试神经的计算模拟。
粗略地说， 神经网络 是一组连接的 输入/输出单元 ，其中每个连接都与一个 权 相关联。在学习阶段，通过调整权值，使得神经网络的预测准确性逐步提高。由于单元之间的连接，神经网络学习又称 连接者学习。
神经网络是以模拟人脑神经元的数学模型为基础而建立的，它由一系列神经元组成，单元之间彼此连接。从信息处理角度看，神经元可以看作是一个多输入单输出的信息处理单元，根据神经元的特性和功能，可以把神经元抽象成一个简单的数学模型。
神经网络有三个要素： 拓扑结构、连接方式、学习规则
神经网络的拓扑结构 ：神经网络的单元通常按照层次排列，根据网络的层次数，可以将神经网络分为单层神经网络、两层神经网络、三层神经网络等。结构简单的神经网络，在学习时收敛的速度快，但准确度低。
神经网络的层数和每层的单元数由问题的复杂程度而定。问题越复杂，神经网络的层数就越多。例如，两层神经网络常用来解决线性问题，而多层网络就可以解决多元非线性问题
神经网络的连接 ：包括层次之间的连接和每一层内部的连接，连接的强度用权来表示。
根据层次之间的连接方式，分为：
1）前馈式网络：连接是单向的，上层单元的输出是下层单元的输入，如反向传播网络，Kohonen网络
2）反馈式网络：除了单项的连接外，还把最后一层单元的输出作为第一层单元的输入，如Hopfield网络
根据连接的范围，分为：
1）全连接神经网络：每个单元和相邻层上的所有单元相连
2）局部连接网络：每个单元只和相邻层上的部分单元相连
神经网络的学习
根据学习方法分：
感知器：有监督的学习方法，训练样本的类别是已知的，并在学习的过程中指导模型的训练
认知器：无监督的学习方法，训练样本类别未知，各单元通过竞争学习。
根据学习时间分：
离线网络：学习过程和使用过程是独立的
在线网络：学习过程和使用过程是同时进行的
根据学习规则分：
相关学习网络：根据连接间的激活水平改变权系数
纠错学习网络：根据输出单元的外部反馈改变权系数
自组织学习网络：对输入进行自适应地学习
摘自《数学之美》对人工神经网络的通俗理解：
神经网络种类很多，常用的有如下四种：
1）Hopfield网络，典型的反馈网络，结构单层，有相同的单元组成
2）反向传播网络，前馈网络，结构多层，采用最小均方差的纠错学习规则，常用于语言识别和分类等问题
3）Kohonen网络：典型的自组织网络，由输入层和输出层构成，全连接
4）ART网络：自组织网络
深度神经网络：
Convolutional Neural Networks(CNN)卷积神经网络
Recurrent neural Network(RNN)循环神经网络
Deep Belief Networks(DBN)深度信念网络
深度学习是指多层神经网络上运用各种机器学习算法解决图像，文本等各种问题的算法集合。深度学习从大类上可以归入神经网络，不过在具体实现上有许多变化。
深度学习的核心是特征学习，旨在通过分层网络获取分层次的特征信息，从而解决以往需要人工设计特征的重要难题。
Machine Learning vs. Deep Learning
神经网络（主要是感知器）经常用于 分类
神经网络的分类知识体现在网络连接上，被隐式地存储在连接的权值中。
神经网络的学习就是通过迭代算法，对权值逐步修改的优化过程，学习的目标就是通过改变权值使训练集的样本都能被正确分类。
神经网络特别适用于下列情况的分类问题：
1) 数据量比较小，缺少足够的样本建立模型
2) 数据的结构难以用传统的统计方法来描述
3) 分类模型难以表示为传统的统计模型
缺点：
1) 需要很长的训练时间，因而对于有足够长训练时间的应用更合适。
2) 需要大量的参数，这些通常主要靠经验确定，如网络拓扑或“结构”。
3) 可解释性差 。该特点使得神经网络在数据挖掘的初期并不看好。
优点：
1) 分类的准确度高
2)并行分布处理能力强
3)分布存储及学习能力高
4)对噪音数据有很强的鲁棒性和容错能力
最流行的基于神经网络的分类算法是80年代提出的 后向传播算法 。后向传播算法在多路前馈神经网络上学习。
定义网络拓扑
在开始训练之前，用户必须说明输入层的单元数、隐藏层数（如果多于一层）、每一隐藏层的单元数和输出层的单元数，以确定网络拓扑。
对训练样本中每个属性的值进行规格化将有助于加快学习过程。通常，对输入值规格化，使得它们落入0.0和1.0之间。
离散值属性可以重新编码，使得每个域值一个输入单元。例如，如果属性A的定义域为(a0,a1,a2)，则可以分配三个输入单元表示A。即，我们可以用I0 ,I1 ,I2作为输入单元。每个单元初始化为0。如果A = a0，则I0置为1；如果A = a1，I1置1；如此下去。
一个输出单元可以用来表示两个类（值1代表一个类，而值0代表另一个）。如果多于两个类，则每个类使用一个输出单元。
隐藏层单元数设多少个“最好” ，没有明确的规则。
网络设计是一个实验过程，并可能影响准确性。权的初值也可能影响准确性。如果某个经过训练的网络的准确率太低，则通常需要采用不同的网络拓扑或使用不同的初始权值，重复进行训练。
后向传播算法学习过程：
迭代地处理一组训练样本，将每个样本的网络预测与实际的类标号比较。
每次迭代后，修改权值，使得网络预测和实际类之间的均方差最小。
这种修改“后向”进行。即，由输出层，经由每个隐藏层，到第一个隐藏层（因此称作后向传播）。尽管不能保证，一般地，权将最终收敛，学习过程停止。
算法终止条件：训练集中被正确分类的样本达到一定的比例，或者权系数趋近稳定。
后向传播算法分为如下几步：
1) 初始化权
网络的权通常被初始化为很小的随机数（例如，范围从-1.0到1.0，或从-0.5到0.5）。
每个单元都设有一个偏置（bias），偏置也被初始化为小随机数。
2) 向前传播输入
对于每一个样本X，重复下面两步：
向前传播输入，向后传播误差
计算各层每个单元的输入和输出。输入层：输出=输入=样本X的属性；即，对于单元j，Oj = Ij = Xj。隐藏层和输出层：输入=前一层的输出的线性组合,即，对于单元j， Ij =wij Oi + θj，输出=
3) 向后传播误差
计算各层每个单元的误差。
输出层单元j，误差：
Oj是单元j的实际输出，而Tj是j的真正输出。
隐藏层单元j，误差：
wjk是由j到下一层中单元k的连接的权，Errk是单元k的误差
更新 权 和 偏差 ，以反映传播的误差。
权由下式更新：
其中，△wij是权wij的改变。l是学习率，通常取0和1之间的值。
偏置由下式更新：
其中，△θj是偏置θj的改变。
Example
人类视觉原理：
深度学习的许多研究成果，离不开对大脑认知原理的研究，尤其是视觉原理的研究。1981 年的诺贝尔医学奖，颁发给了 David Hubel（出生于加拿大的美国神经生物学家） 和Torsten Wiesel，以及Roger Sperry。前两位的主要贡献，是“发现了视觉系统的信息处理”， 可视皮层是分级的 。
人类的视觉原理如下：从原始信号摄入开始（瞳孔摄入像素Pixels），接着做初步处理（大脑皮层某些细胞发现边缘和方向），然后抽象（大脑判定，眼前的物体的形状，是圆形的），然后进一步抽象（大脑进一步判定该物体是只气球）。
对于不同的物体，人类视觉也是通过这样逐层分级，来进行认知的：
在最底层特征基本上是类似的，就是各种边缘，越往上，越能提取出此类物体的一些特征（轮子、眼睛、躯干等），到最上层，不同的高级特征最终组合成相应的图像，从而能够让人类准确的区分不同的物体。
可以很自然的想到：可以不可以模仿人类大脑的这个特点，构造多层的神经网络，较低层的识别初级的图像特征，若干底层特征组成更上一层特征，最终通过多个层级的组合，最终在顶层做出分类呢？答案是肯定的，这也是许多深度学习算法（包括CNN）的灵感来源。
卷积神经网络是一种多层神经网络，擅长处理图像特别是大图像的相关机器学习问题。卷积网络通过一系列方法，成功将数据量庞大的图像识别问题不断降维，最终使其能够被训练。
CNN最早由Yann LeCun提出并应用在手写字体识别上。LeCun提出的网络称为LeNet，其网络结构如下：
这是一个最典型的卷积网络，由 卷积层、池化层、全连接层 组成。其中卷积层与池化层配合，组成多个卷积组，逐层提取特征，最终通过若干个全连接层完成分类。
CNN通过卷积来模拟特征区分，并且通过卷积的权值共享及池化，来降低网络参数的数量级，最后通过传统神经网络完成分类等任务。
降低参数量级：如果使用传统神经网络方式，对一张图片进行分类，那么，把图片的每个像素都连接到隐藏层节点上，对于一张1000x1000像素的图片，如果有1M隐藏层单元，一共有10^12个参数，这显然是不能接受的。
但是在CNN里，可以大大减少参数个数，基于以下两个假设：
1）最底层特征都是局部性的，也就是说，用10x10这样大小的过滤器就能表示边缘等底层特征
2）图像上不同小片段，以及不同图像上的小片段的特征是类似的，也就是说，能用同样的一组分类器来描述各种各样不同的图像
基于以上两个假设，就能把第一层网络结构简化
用100个10x10的小过滤器，就能够描述整幅图片上的底层特征。
卷积运算的定义如下图所示：
如上图所示，一个5x5的图像，用一个3x3的 卷积核 ：
101
010
101
来对图像进行卷积操作（可以理解为有一个滑动窗口，把卷积核与对应的图像像素做乘积然后求和），得到了3x3的卷积结果。
这个过程可以理解为使用一个过滤器（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。在实际训练过程中， 卷积核的值是在学习过程中学到的。
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。如果设计了6个卷积核，可以理解为这个图像上有6种底层纹理模式，也就是用6种基础模式就能描绘出一副图像。以下就是24种不同的卷积核的示例：
池化 的过程如下图所示：
可以看到，原始图片是20x20的，对其进行采样，采样窗口为10x10，最终将其采样成为一个2x2大小的特征图。
之所以这么做，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，就进行采样。
即使减少了许多数据，特征的统计属性仍能够描述图像，而且由于降低了数据维度，有效地避免了过拟合。
在实际应用中，分为最大值采样（Max-Pooling）与平均值采样（Mean-Pooling）。
LeNet网络结构：
注意，上图中S2与C3的连接方式并不是全连接，而是部分连接。最后，通过全连接层C5、F6得到10个输出，对应10个数字的概率。
卷积神经网络的训练过程与传统神经网络类似，也是参照了反向传播算法
第一阶段，向前传播阶段：
a）从样本集中取一个样本(X,Yp)，将X输入网络；
b）计算相应的实际输出Op
第二阶段，向后传播阶段
a）计算实际输出Op与相应的理想输出Yp的差；
b）按极小化误差的方法反向传播调整权矩阵。