全连接和卷积网络的比较

⑴ 为什么全连接神经网络在图像识别中不如卷积神经网络

输入数据是n*n的像素矩阵，再使用全连接神经网络，那么参数的个数会是指数级的增长，需要训练的数据太多。
而CNN的话，可以通过共享同一个参数，来提取特定方向上的特征，所以训练量将比全连接神经网络小了很多。

⑵ 卷积神经网络的结构

卷积神经网络的基本结构由以下几个部分组成：输入层，卷积层，池化层，激活函数层和全连接层。

卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN）是一类包含卷积计算且具有深度结构的前馈神经网络（Feedforward Neural Networks），是深度学习（deep learning）的代表算法之一。

卷积神经网络具有表征学习（representation learning）能力，能够按其阶层结构对输入信息进行平移不变分类（shift-invariant classification），因此也被称为“平移不变人工神经网络（Shift-Invariant Artificial Neural Networks, SIANN）”。

连接性

卷积神经网络中卷积层间的连接被称为稀疏连接（sparse connection），即相比于前馈神经网络中的全连接，卷积层中的神经元仅与其相邻层的部分，宴闭轮而晌信非全部神经元相连。

具体地，卷积神经网络第l层特征图中的任意一个像素都仅是l-1层中卷积核所定义的感受野内的像素的线性组态塌合。卷积神经网络的稀疏连接具有正则化的效果，提高了网络结构的稳定性和泛化能力，避免过度拟合。

⑶ 全连接层，1*1卷积,GAP的关系

当前层每一个神经元和前一层所有的神经元都连接。最后一个神经元输出的是一个值。
对于CNN，如果前一层输出的是H W C的feature map，全连接层由N个维度为H W C的卷积核组成。输出N个值。

CNN提取的是局部特征，全连接层的作用就是整合这些局部特征，将feature map整合成一个值，提高位置不变性。
这里用一只小猫解释为什么需要全连接层，还蛮清楚的

参数量暴增，在网络中全连接层的参数是最多的。
由于训练过程中全连接层神经元尺寸确定，所以会限制输入图像的尺寸。

1 1卷积，顾名思义，卷积核的尺寸为1 1，通道数和输入特征通道数相同，但是卷积核的个数可以改变，实现升维和降维。
卷积核的通道数和输入特征通道数相同。
卷积核的个数决定输出特征的通道数。

全连接层会打破特征原有的空间信息，将特征打平用于下一步处理。
1*1卷积后，特征的分辨率没有发生变化，但是通道数改变了。

-不改变特征图尺寸，对输入尺寸无限制。
-参数量大大减少。可以先降维再升维，在减少计算量的同时实现和其他卷积操作相同的功能。

将Feature map的每一个通道内的像素值相加求平均，得到一个数值，用该值表示对应的特征图。
输出结果直接送入softmax。

-减少参数量，代替全连接层。
-减少过拟合。
-直接赋予每一个channel实际的类别意义。

参考1
参考2
NIN论文的总结
这个也还行

⑷ 理解神经网络卷积层、全连接层

https://zhuanlan.hu.com/p/32472241

卷积神经网络，这玩意儿乍一听像是生物和数学再带点计算机技术混合起来的奇怪东西。奇怪归奇怪，不得不说，卷积神经网络是计算机视觉领域最有影响力的创造之一。

2012年是卷积神经网络崛起之年。这一年，Alex Krizhevsky带着卷积神经网络参加了ImageNet竞赛（其重要程度相当于奥运会）并一鸣惊人，将识别错误率从26%降到了15%,。从那开始，很多公司开始使用深度学习作为他们服务的核心。比如，Facebook在他们的自动标记算法中使用了它，Google在照片搜索中使用了，Amazon在商品推荐中使用，Printerst应用于为他们的家庭饲养服务提供个性化定制，而Instagram应用于他们的搜索引擎。

然而，神经网络最开始也是最多的应用领域是图像处理。那我们就挑这块来聊聊，怎样使用卷积神经网络（下面简称CNN）来进行图像分类。

图像分类是指，向机器输入一张图片，然后机器告诉我们这张图片的类别（一只猫，一条狗等等），或者如果它不确定的话，它会告诉我们属于某个类别的可能性（很可能是条狗但是我不太确定）。对我们人类来说，这件事情简单的不能再简单了，从出生起，我们就可以很快地识别周围的物体是什么。当我们看到一个场景，我们总能快速地识别出所有物体，甚至是下意识的，没有经过有意的思考。但这种能力，机器并不具有。所以我们更加要好好珍惜自己的大脑呀！ (:зゝ∠)

电脑和人看到的图片并不相同。当我们输入一张图片时，电脑得到的只是一个数组，记录着像素的信息。数组的大小由图像的清晰度和大小决定。假设我们有一张jpg格式的480 480大小的图片，那么表示它的数组便是480 480*3大小的。数组中所有数字都描述了在那个位置处的像素信息，大小在[0,255]之间。

这些数字对我们来说毫无意义，但这是电脑们可以得到的唯一的信息（也足够了）。抽象而简单的说，我们需要一个接受数组为输入，输出一个数组表示属于各个类别概率的模型。

既然问题我们已经搞明白了，现在我们得想想办法解决它。我们想让电脑做的事情是找出不同图片之间的差别，并可以识别狗狗（举个例子）的特征。

我们人类可以通过一些与众不同的特征来识别图片，比如狗狗的爪子和狗有四条腿。同样地，电脑也可以通过识别更低层次的特征（曲线，直线）来进行图像识别。电脑用卷积层识别这些特征，并通过更多层卷积层结合在一起，就可以像人类一样识别出爪子和腿之类的高层次特征，从而完成任务。这正是CNN所做的事情的大概脉络。下面，我们进行更具体的讨论。

在正式开始之前，我们先来聊聊CNN的背景故事。当你第一次听说卷积神经网络的时候，你可能就会联想到一些与神经学或者生物学有关的东西，不得不说，卷积神经网络还真的与他们有某种关系。

CNN的灵感的确来自大脑中的视觉皮层。视觉皮层某些区域中的神经元只对特定视野区域敏感。1962年，在一个Hubel与Wiesel进行的试验（ 视频 ）中，这一想法被证实并且拓展了。他们发现，一些独立的神经元只有在特定方向的边界在视野中出现时才会兴奋。比如，一些神经元在水平边出现时兴奋，而另一些只有垂直边出现时才会。并且所有这种类型的神经元都在一个柱状组织中，并且被认为有能力产生视觉。

在一个系统中，一些特定的组件发挥特定的作用（视觉皮层中的神经元寻找各自特定的特征）。这一想法应用于很多机器中，并且也是CNN背后的基本原理。 （译者注：作者没有说清楚。类比到CNN中，应是不同的卷积核寻找图像中不同的特征）

回到主题。

更详细的说，CNN的工作流程是这样的：你把一张图片传递给模型，经过一些卷积层，非线性化（激活函数），池化，以及全连层，最后得到结果。就像我们之前所说的那样，输出可以是单独的一个类型，也可以是一组属于不同类型的概率。现在，最不容易的部分来了：理解各个层的作用。

首先，你要搞清楚的是，什么样的数据输入了卷积层。就像我们之前提到的那样，输入是一个32 × 32 × 3（打个比方）的记录像素值的数组。现在，让我来解释卷积层是什么。解释卷积层最好的方法，是想象一个手电筒照在图片的左上角。让我们假设手电筒的光可以招到一个5 × 5的区域。现在，让我们想象这个手电筒照过了图片的所有区域。在机器学习术语中，这样一个手电筒被称为卷积核（或者说过滤器，神经元） (kernel, filter, neuron) 。而它照到的区域被称为感知域 (receptive field) 。卷积核同样也是一个数组（其中的数被称为权重或者参数）。很重要的一点就是卷积核的深度和输入图像的深度是一样的（这保证可它能正常工作），所以这里卷积核的大小是5 × 5 × 3。

现在，让我们拿卷积核的初始位置作为例子，它应该在图像的左上角。当卷积核扫描它的感知域（也就是这张图左上角5 × 5 × 3的区域）的时候，它会将自己保存的权重与图像中的像素值相乘（或者说，矩阵元素各自相乘，注意与矩阵乘法区分），所得的积会相加在一起（在这个位置，卷积核会得到5 × 5 × 3 = 75个积）。现在你得到了一个数字。然而，这个数字只表示了卷积核在图像左上角的情况。现在，我们重复这一过程，让卷积核扫描完整张图片，（下一步应该往右移动一格，再下一步就再往右一格，以此类推），每一个不同的位置都产生了一个数字。当扫描完整张图片以后，你会得到一组新的28 × 28 × 1的数。 （译者注：(32 - 5 + 1) × (32 - 5 + 1) × 1） 。这组数，我们称为激活图或者特征图 (activation map or feature map) 。

如果增加卷积核的数目，比如，我们现在有两个卷积核，那么我们就会得到一个28 × 28 × 2的数组。通过使用更多的卷积核，我们可以更好的保留数据的空间尺寸。

在数学层面上说，这就是卷积层所做的事情。

让我们来谈谈，从更高角度来说，卷积在做什么。每一个卷积核都可以被看做特征识别器。我所说的特征，是指直线、简单的颜色、曲线之类的东西。这些都是所有图片共有的特点。拿一个7 × 7 × 3的卷积核作为例子，它的作用是识别一种曲线。（在这一章节，简单起见，我们忽略卷积核的深度，只考虑第一层的情况）。作为一个曲线识别器，这个卷积核的结构中，曲线区域内的数字更大。（记住，卷积核是一个数组）

现在我们来直观的看看这个。举个例子，假设我们要把这张图片分类。让我们把我们手头的这个卷积核放在图片的左上角。

记住，我们要做的事情是把卷积核中的权重和输入图片中的像素值相乘。

(译者注：图中最下方应是由于很多都是0所以把0略过不写了。)

基本上，如果输入图像中有与卷积核代表的形状很相似的图形，那么所有乘积的和会很大。现在我们来看看，如果我们移动了卷积核呢？

可以看到，得到的值小多了！这是因为感知域中没有与卷积核表示的相一致的形状。还记得吗，卷积层的输出是一张激活图。所以，在单卷积核卷积的简单情况下，假设卷积核是一个曲线识别器，那么所得的激活图会显示出哪些地方最有可能有曲线。在这个例子中，我们所得激活图的左上角的值为6600。这样大的数字表明很有可能这片区域中有一些曲线，从而导致了卷积核的激活 （译者注：也就是产生了很大的数值。） 而激活图中右上角的数值是0，因为那里没有曲线来让卷积核激活（简单来说就是输入图像的那片区域没有曲线）。

但请记住，这只是一个卷积核的情况，只有一个找出向右弯曲的曲线的卷积核。我们可以添加其他卷积核，比如识别向左弯曲的曲线的。卷积核越多，激活图的深度就越深，我们得到的关于输入图像的信息就越多。

在传统的CNN结构中，还会有其他层穿插在卷积层之间。我强烈建议有兴趣的人去阅览并理解他们。但总的来说，他们提供了非线性化，保留了数据的维度，有助于提升网络的稳定度并且抑制过拟合。一个经典的CNN结构是这样的：

网络的最后一层很重要，我们稍后会讲到它。

现在，然我们回头看看我们已经学到了什么。

我们讲到了第一层卷积层的卷积核的目的是识别特征，他们识别像曲线和边这样的低层次特征。但可以想象，如果想预测一个图片的类别，必须让网络有能力识别高层次的特征，例如手、爪子或者耳朵。让我们想想网络第一层的输出是什么。假设我们有5个5 × 5 × 3的卷积核，输入图像是32 × 32 × 3的，那么我们会得到一个28 × 28 × 5的数组。来到第二层卷积层，第一层的输出便成了第二层的输入。这有些难以可视化。第一层的输入是原始图片，可第二层的输入只是第一层产生的激活图，激活图的每一层都表示了低层次特征的出现位置。如果用一些卷积核处理它，得到的会是表示高层次特征出现的激活图。这些特征的类型可能是半圆（曲线和边的组合）或者矩形（四条边的组合）。随着卷积层的增多，到最后，你可能会得到可以识别手写字迹、粉色物体等等的卷积核。

如果，你想知道更多关于可视化卷积核的信息，可以看这篇 研究报告 ，以及这个 视频 。

还有一件事情很有趣，当网络越来越深，卷积核会有越来越大的相对于输入图像的感知域。这意味着他们有能力考虑来自输入图像的更大范围的信息（或者说，他们对一片更大的像素区域负责）。

到目前为止，我们已经识别出了那些高层次的特征吧。网络最后的画龙点睛之笔是全连层。

简单地说，这一层接受输入（来自卷积层，池化层或者激活函数都可以），并输出一个N维向量，其中，N是所有有可能的类别的总数。例如，如果你想写一个识别数字的程序，那么N就是10，因为总共有10个数字。N维向量中的每一个数字都代表了属于某个类别的概率。打个比方，如果你得到了[0 0.1 0.1 0.75 0 0 0 0 0 0.05]，这代表着这张图片是1的概率是10%，是2的概率是10%，是3的概率是75%，是9的概率5%（小贴士：你还有其他表示输出的方法，但现在我只拿softmax (译者注：一种常用于分类问题的激活函数) 来展示）。全连层的工作方式是根据上一层的输出（也就是之前提到的可以用来表示特征的激活图）来决定这张图片有可能属于哪个类别。例如，如果程序需要预测哪些图片是狗，那么全连层在接收到一个包含类似于一个爪子和四条腿的激活图时输出一个很大的值。同样的，如果要预测鸟，那么全连层会对含有翅膀和喙的激活图更感兴趣。

基本上，全连层寻找那些最符合特定类别的特征，并且具有相应的权重，来使你可以得到正确的概率。

现在让我们来说说我之前有意没有提到的神经网络的可能是最重要的一个方面。刚刚在你阅读的时候，可能会有一大堆问题想问。第一层卷积层的卷积核们是怎么知道自己该识别边还是曲线的？全连层怎么知道该找哪一种激活图？每一层中的参数是怎么确定的？机器确定参数（或者说权重）的方法叫做反向传播算法。

在讲反向传播之前，我们得回头看看一个神经网络需要什么才能工作。我们出生的时候并不知道一条狗或者一只鸟长什么样。同样的，在CNN开始之前，权重都是随机生成的。卷积核并不知道要找边还是曲线。更深的卷积层也不知道要找爪子还是喙。

等我们慢慢长大了，我们的老师和父母给我们看不同的图片，并且告诉我们那是什么（或者说，他们的类别）。这种输入一幅图像以及这幅图像所属的类别的想法，是CNN训练的基本思路。在细细讲反向传播之前，我们先假设我们有一个包含上千张不同种类的动物以及他们所属类别的训练集。

反向传播可以被分成四个不同的部分。前向传播、损失函数、反向传播和权重更新。

在前向传播的阶段，我们输入一张训练图片，并让它通过整个神经网络。对于第一个输入图像，由于所有权重都是随机生成的，网络的输出很有可能是类似于[.1 .1 .1 .1 .1 .1 .1 .1 .1 .1]的东西，一般来说并不对任一类别有偏好。具有当前权重的网络并没有能力找出低层次的特征并且总结出可能的类别。

下一步，是损失函数部分。注意，我们现在使用的是训练数据。这些数据又有图片又有类别。打个比方，第一张输入的图片是数字“3”。那么它的标签应该是[0 0 0 1 0 0 0 0 0 0]。一个损失函数可以有很多定义的方法，但比较常见的是MSE（均方误差）。被定义为(实际−预测)22(实际−预测)22。

记变量L为损失函数的值。正如你想象的那样，在第一组训练图片输入的时候，损失函数的值可能非常非常高。来直观地看看这个问题。我们想到达CNN的预测与数据标签完全一样的点（这意味着我们的网络预测的很对）。为了到达那里，我们想要最小化误差。如果把这个看成一个微积分问题，那我们只要找到哪些权重与网络的误差关系最大。

这就相当于数学中的δLδWδLδW (译者注：对L关于W求导) ，其中，W是某个层的权重。现在，我们要对网络进行 反向传播 。这决定了哪些权重与误差的关系最大，并且决定了怎样调整他们来让误差减小。计算完这些导数以后，我们就来到了最后一步： 更新权重 。在这里，我们以与梯度相反的方向调整层中的权重。

学习率是一个有程序员决定的参数。一个很高的学习率意味着权重调整的幅度会很大，这可能会让模型更快的拥有一组优秀的权重。然而，一个太高的学习率可能会让调整的步伐过大，而不能精确地到达最佳点。

前向传播、损失函数、反向传播和更新权重，这四个过程是一次迭代。程序会对每一组训练图片重复这一过程（一组图片通常称为一个batch）。当对每一张图片都训练完之后，很有可能你的网络就已经训练好了，权重已经被调整的很好。

最后，为了验证CNN是否工作的很好，我们还有另一组特殊的数据。我们把这组数据中的图片输入到网络中，得到输出并和标签比较，这样就能看出网络的表现如何了。

⑸ 卷积神经网络

1、二维互相关运算

二维互相关（cross-correlation）运算的输入是一个二维输入数组和一个二维核（kernel）数组，输出也是一个二维数组，其中核数组通常称为卷积核或过滤器（filter）。卷积核的尺寸通常小于输入数组，卷积核在输入数组上滑动，在每个位置上，卷积核与该位置处的输入子数组按元素相乘并求和，得到输出数组中相应位置的元素。图1展示了一个互相关运算的例子，阴影部分分别是输入的第一个计算区域、核数组以及对应的输出。

2、二维卷积层

卷积层得名于卷积运算，但卷积层中用到的并非卷积运算而是互相关运算。我们将核数组上下翻转、左右翻转，再与输入数组做互相关运算，这一过程就是卷积运算。由于卷积层的核数组是可学习的，所以使用互相关运算与使用卷积运算并无本质区别。

二维卷积层将输入和卷积核做互相关运算，并加上一个标量偏置来得到输出。卷积层的模型参数包括卷积核和标量偏置。

3、特征图与感受野

二维卷积层输出的二维数组可以看作是输入在空间维度（宽和高）上某一级的表征，也叫特征图（feature map）。影响元素x的前向计算的所有可能输入区域（可能大于输入的实际尺寸）叫做x的感受野（receptive field）。

以图1为例，输入中阴影部分的四个元素是输出中阴影部分元素的感受野。我们将图中形状为2×2的输出记为Y，将Y与另一个形状为2×2的核数组做互相关运算，输出单个元素z。那么，z在Y上的感受野包括Y的全部四个元素，在输入上的感受野包括其中全部9个元素。可见，我们可以通过更深的卷积神经网络使特征图中单个元素的感受野变得更加广阔，从而捕捉输入上更大尺寸的特征。

4、填充和步幅

我们介绍卷积层的两个超参数，即填充和步幅，它们可以对给定形状的输入和卷积核改变输出形状。

4.1 填充（padding）

是指在输入高和宽的两侧填充元素（通常是0元素），图2里我们在原输入高和宽的两侧分别添加了值为0的元素。

如果原输入的高和宽是 和 ，卷积核的高和宽是 和 ，在高的两侧一共填充 行，在宽的两侧一共填充 列，则输出形状为：

                                                               )

我们在卷积神经网络中使用奇数高宽的核，比如3×3，5×5的卷积核，对于高度（或宽度）为大小为2k+1的核，令步幅为1，在高（或宽）两侧选择大小为k的填充，便可保持输入与输出尺寸相同。

4.2 步幅（stride）

在互相关运算中，卷积核在输入数组上滑动，每次滑动的行数与列数即是步幅（stride）。此前我们使用的步幅都是1，图3展示了在高上步幅为3、在宽上步幅为2的二维互相关运算。

一般来说，当高上步幅为 ，宽上步幅为 时，输出形状为：

                                         

如果  ,那么输出形状将简化为：

                                                          

更进一步，如果输入的高和宽能分别被高和宽上的步幅整除，那么输出形状将是:(nh/sh)×(nw/sw)

                                                                              

当 时，我们称填充为p；当 时，我们称步幅为s。

5、多输入通道和多输出通道

之前的输入和输出都是二维数组，但真实数据的维度经常更高。例如，彩色图像在高和宽2个维度外还有RGB（红、绿、蓝）3个颜色通道。假设彩色图像的高和宽分别是h和w（像素），那么它可以表示为一个3×h×w的多维数组，我们将大小为3的这一维称为通道（channel）维。

5.1 多输入通道

卷积层的输入可以包含多个通道，图4展示了一个含2个输入通道的二维互相关计算的例子。

5.2 多输出通道

卷积层的输出也可以包含多个通道，设卷积核输入通道数和输出通道数分别为ci和co，高和宽分别为kh和kw。如果希望得到含多个通道的输出，我们可以为每个输出通道分别创建形状为ci×kh×kw的核数组，将它们在输出通道维上连结，卷积核的形状即co×ci×kh×kw。

对于输出通道的卷积核，我们提供这样一种理解，一个ci×kh×kw的核数组可以提取某种局部特征，但是输入可能具有相当丰富的特征，我们需要有多个这样的ci×kh×kw的核数组，不同的核数组提取的是不同的特征。

5.3 1x1卷积层

最后讨论形状为1×1的卷积核，我们通常称这样的卷积运算为1×1卷积，称包含这种卷积核的卷积层为1×1卷积层。图5展示了使用输入通道数为3、输出通道数为2的1×1卷积核的互相关计算。

1×1卷积核可在不改变高宽的情况下，调整通道数。1×1卷积核不识别高和宽维度上相邻元素构成的模式，其主要计算发生在通道维上。假设我们将通道维当作特征维，将高和宽维度上的元素当成数据样本，那么1×1卷积层的作用与全连接层等价。

6、卷积层与全连接层的对比

二维卷积层经常用于处理图像，与此前的全连接层相比，它主要有两个优势：

一是全连接层把图像展平成一个向量，在输入图像上相邻的元素可能因为展平操作不再相邻，网络难以捕捉局部信息。而卷积层的设计，天然地具有提取局部信息的能力。

二是卷积层的参数量更少。不考虑偏置的情况下，一个形状为(ci,co,h,w)的卷积核的参数量是ci×co×h×w，与输入图像的宽高无关。假如一个卷积层的输入和输出形状分别是(c1,h1,w1)和(c2,h2,w2)，如果要用全连接层进行连接，参数数量就是c1×c2×h1×w1×h2×w2。使用卷积层可以以较少的参数数量来处理更大的图像。

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)

输出：

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 二维池化层

池化层主要用于缓解卷积层对位置的过度敏感性。同卷积层一样，池化层每次对输入数据的一个固定形状窗口（又称池化窗口）中的元素计算输出，池化层直接计算池化窗口内元素的最大值或者平均值，该运算也分别叫做最大池化或平均池化。图6展示了池化窗口形状为2×2的最大池化。

二维平均池化的工作原理与二维最大池化类似，但将最大运算符替换成平均运算符。池化窗口形状为p×q的池化层称为p×q池化层，其中的池化运算叫作p×q池化。

池化层也可以在输入的高和宽两侧填充并调整窗口的移动步幅来改变输出形状。池化层填充和步幅与卷积层填充和步幅的工作机制一样。

在处理多通道输入数据时，池化层对每个输入通道分别池化，但不会像卷积层那样将各通道的结果按通道相加。这意味着池化层的输出通道数与输入通道数相等。

CNN网络中另外一个不可导的环节就是Pooling池化操作，因为Pooling操作使得feature map的尺寸变化，假如做2×2的池化，假设那么第l+1层的feature map有16个梯度，那么第l层就会有64个梯度，这使得梯度无法对位的进行传播下去。其实解决这个问题的思想也很简单，就是把1个像素的梯度传递给4个像素，但是需要保证传递的loss（或者梯度）总和不变。根据这条原则，mean pooling和max pooling的反向传播也是不同的。

7.2 mean pooling

mean pooling的前向传播就是把一个patch中的值求取平均来做pooling，那么反向传播的过程也就是把某个元素的梯度等分为n份分配给前一层，这样就保证池化前后的梯度（残差）之和保持不变，还是比较理解的，图示如下：

mean pooling比较容易让人理解错的地方就是会简单的认为直接把梯度复制N遍之后直接反向传播回去，但是这样会造成loss之和变为原来的N倍，网络是会产生梯度爆炸的。

7.3 max pooling

max pooling也要满足梯度之和不变的原则，max pooling的前向传播是把patch中最大的值传递给后一层，而其他像素的值直接被舍弃掉。那么反向传播也就是把梯度直接传给前一层某一个像素，而其他像素不接受梯度，也就是为0。所以max pooling操作和mean pooling操作不同点在于需要记录下池化操作时到底哪个像素的值是最大，也就是max id。

源码中有一个max_idx_的变量，这个变量就是记录最大值所在位置的，因为在反向传播中要用到，那么假设前向传播和反向传播的过程就如下图所示。

7.4 Pytorch 实现池化层

我们使用Pytorch中的nn.MaxPool2d实现最大池化层，关注以下构造函数参数：

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函数的参数为一个四维张量，形状为 ，返回值也是一个四维张量，形状为 ，其中N是批量大小，C,H,W分别表示通道数、高度、宽度。

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)

练习

1、假如你用全连接层处理一张256 \times 256256×256的彩色（RGB）图像，输出包含1000个神经元，在使用偏置的情况下，参数数量是：

     答：图像展平后长度为3×256×256，权重参数和偏置参数的数量是3× 256× 256 × 1000 + 1000 =196609000。

2、假如你用全连接层处理一张256×256的彩色（RGB）图像，卷积核的高宽是3×3，输出包含10个通道，在使用偏置的情况下，这个卷积层共有多少个参数：

    答：输入通道数是3，输出通道数是10，所以参数数量是10×3×3×3+10=280。

3、conv2d = nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=4, kernel_size=3, padding=2)，输入一张形状为3×100×100的图像，输出的形状为：

    答：输出通道数是4，上下两侧总共填充4行，卷积核高度是3，所以输出的高度是104 - 3 + 1=102104−3+1=102，宽度同理可得。

4、关于卷积层，以下哪种说法是错误的：

A.1×1卷积可以看作是通道维上的全连接

B.某个二维卷积层用于处理形状为3×100×100的输入，则该卷积层无法处理形状为3×256×256的输入

C.卷积层通过填充、步幅、输入通道数、输出通道数等调节输出的形状

D .两个连续的3×3卷积核的感受野与一个5×5卷积核的感受野相同

答：选B，对于高宽维度，只要输入的高宽（填充后的）大于或等于卷积核的高宽即可进行计算。

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.

我们假设图片是5*5的

我们使用5*5的卷积核对其卷积，步长为1，得到的结果是:(5-5)/1+1=1

然后我们使用2个卷积核为3*3的，这里的两个是指2层：

第一层3*3：

得到的结果是(5-3)/1+1=3

第二层3*3：

得到的结果是(3-3)/1+1=1

所以我们的最终得到结果感受野大小和用5*5的卷积核得到的结果大小是一样的！！！

5、关于池化层，以下哪种说法是错误的：

A.池化层不参与反向传播

B.池化层没有模型参数

C.池化层通常会减小特征图的高和宽

D.池化层的输入和输出具有相同的通道数

答：A

选项1：错误，池化层有参与模型的正向计算，同样也会参与反向传播

选项2：正确，池化层直接对窗口内的元素求最大值或平均值，并没有模型参数参与计算

选项3：正确

选项4：正确

参考文献：

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

⑹ 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。