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Convolutional Nerual Nertwork（CNN）

2022-08-03 05:23:00 【圆月弯刀鞘】

文章目录

一、CNN的架构理解
二、CNN中的其他trick
三、常用的CNN整体网络结构

一、CNN的架构理解

CNN并不适用于所有的问题，就像针对某种问题设计的独特的神经网络架构，CNN相比Fully Connected神经网络是有很大的model bias的，CNN适合处理图像相关的问题，或者更确切的说，grid-like的数据。

假设有一个图片分类的任务，我们要交给神经网络去做，最朴素的想法是将一张图片拉直成一个很长的向量，然后输入进一个Fully Connected网络，然后用数个FC层进行叠加最后经过softmax输出结果向量，与真实的target进行cross entropy损失求解，训练整个网络。

使用FC网络处理图片并不是不可以假设一个50503的一个图片，转换成向量就是7500维，再经过一个有64个神经元的FC层，参数量有7500*64个，而且这只是整个网络中的一层，巨大的参数量会放缓神经网络的训练，而且其中大量的参数对于最终结果的贡献度并不高。

于是我们有了针对图像任务进行网络改造的需求。

首先，人类对图像的识别往往是基于某些局部特征，而不是对整个图像进行综合的扫描识别。比如，判断图像中是否有一只猪，我们通常关注的重点是猪鼻子和猪的其他区别于其他类别的特征。于是在FC网络的基础上我们去除掉大量的参数（即神经元连接）。

使用receptive field（感受野）覆盖图片的一小块儿，使用和感受野大小相同的kernel size（卷积核大小），对覆盖范围进行乘积并求解，给定一个stride（步长），从左向右从上到下进行感受野和卷积核的移动，并进行相应的计算。至于卷积核大小和感受野的设计是比较自由的，根据具体的任务，感受野可以覆盖不同的channel，感受野的大小可以不相同。

另外，继续沿用上面识别一张图片中猪的例子，猪鼻子可能出现在图片的左上角，也可能出现在图片的右下角，而不同位置的卷积核识别的是同一个要素，他们应该有相同的参数，这就是parameter sharing（参数共享）。

通常对于固定区域的感受野，我们不止连接到一个神经元上，通常会是64，128等数量，也就是说我们有若干组参数去针对某一个感受野，一组参数就叫一个filter。原始的图像通常是RGB图像，也就是channel为3，在经过一个filter数量为64的卷积层之后，会输出一张抽象的图像（feature map），图像的channel数量就是上一层的filter数量，即64。

二、CNN中的其他trick

CNN的各种操作演示参考以下链接：CNN操作演示

1、下采样sub-sampling

将图像进行适当的缩小并不会影响人类的识别，下采样的目的是为了减小图像的尺寸，缩小模型的规模。
通常下采样通过pooling（池化）进行实现，池化的方式有max-pooling，mean-pooling等。
并不是所有CNN都要进行下采样，比如Alpha-go使用的CNN并未进行下采样。

2、padding

在进行感受野和卷积核移动的时候，有可能超过图像的边界，此时需要padding，即给图像的边界进行扩展，在图像外层再加上若干层的边界，经常使用的padding方式是zero-padding。
如果不进行padding，那么塞不满卷积核部分的图像就会被抛弃，对应tensorflow中padding='valid'的方式。

3、data augmentation

由于将原始图像进行扩大，或者翻转之后，机器并不能像人类一样准确的还原识别，所以在使用CNN进行图像相关任务之前，通常会对原始的数据集进行augmentation，加入一些翻转和扩大之后的图像。

4、filter和kernel的区别

这两者是比较相似的概念，因为他们守备的都是同一片区域，但是kernel是针对一个channel而言的，也就是说同一个感受野，有多个kernel，而filter包含了所有的channel。描述kernel的大小的时候我们用的是二维的尺寸，比如33，而描述filter的时候，我们使用三维的尺寸，比如，33*3。