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Posted 2021-04-07 数据智农

卷积神经网络结构

    卷积神经网络层次结构包括：数据输入层/ Input layer ，卷积计算层/ CONV layer ，激励层 / ReLU layer ，池化层 / Pooling layer ，全连接层 / FC layer 

    结构如图：

    然而由于在神经网络中百分之九十以上的参数都集中在全连接层，全连接层有一个非常致命的弱点就是参数量过大，特别是与最后一个卷积层相连的全连接层。一方面增加了Training以及testing的计算量，降低了速度；另外一方面参数量过大容易过拟合。虽然使用了类似dropout等手段去处理，但是毕竟dropout是hyper-parameter， 不够优美也不好实践而且还有认为因数的干扰。而全局池化就可以很好的解决这一问题。

Fully Connected layer

    很长一段时间以来，全连接网络一直是CNN分类网络的标配结构。一般在全连接后会有激活函数来做分类，假设这个激活函数是一个多分类softmax，那么全连接网络的作用就是将最后一层卷积得到的feature map stretch成向量，对这个向量做乘法，最终降低其维度，然后输入到softmax层中得到对应的每个类别的得分。全连接层如此的重要，以至于全连接层过多的参数重要到会造成过拟合，所以也会有一些方法专门用来解决过拟合，比如dropout。

什么是Dropout？

    在2012年，Hinton在其论文《Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors》中提出Dropout。当一个复杂的前馈神经网络被训练在小的数据集时，容易造成过拟合。为了防止过拟合，可以通过阻止特征检测器的共同作用来提高神经网络的性能。 Dropout是一种在深度学习环境中应用的正规化手段。它是这样运作的：在一次循环中我们先随机选择神经层中的一些单元并将其临时隐藏，然后再进行该次循环中神经网络的训练和优化过程。在下一次循环中，我们又将隐藏另外一些神经元，如此直至训练结束。

    结构原理图 ：

    当前Dropout被大量利用于全连接网络，而且一般人为设置为0.5或者0.3，而在卷积隐藏层由于卷积自身的稀疏化以及稀疏化的ReLu函数的大量使用等原因，Dropout策略在卷积隐藏层中使用较少。 DNN网络将Dropout率设置为 p，也就是说，一个神经元被保留的概率是 1-p。当一个神经元被丢弃时，无论输入或者相关的参数是什么，它的输出值就会被设置为0。丢弃的神经元在训练阶段，对BP算法的前向和后向阶段都没有贡献。因为这个原因，所以每一次训练，它都像是在训练一个新的网络。然而在设计p的时候有认为的干扰，但具体用到哪里、训练一开始就用还是后面才用、dropout_ratio取多大，还要自己多多尝试。有时添加Dropout反而会降低性能。

            

什么是全局池化？

    对学习Class Activation Mapping（CAM）原文献的时候提到的全局平均池化GAP方法做个简单的知识补充。 所谓的全局就是针对常用的平均池化而言，平均池化会有它的filter size，比如 2 * 2，全局平均池化就没有size，它针对的是整张feature map.全局平均池化（Global average Pooling）由 M. Lin, Q. Chen, and S. Yan. Network in network. Interna-tional Conference on Learning Representations, 2014.提出来。

Global Average Pooling

    有了上面的基础，再来看看global average poolilng。既然全连接网络可以使feature map的维度减少，进而输入到softmax，但是又会造成过拟合，是不是可以用pooling来代替全连接。答案是肯定的，Network in Network工作使用GAP来取代了最后的全连接层，直接实现了降维，更重要的是极大地减少了网络的参数(CNN网络中占比最大的参数其实后面的全连接层)。Global average pooling的结构如下图所示:

     每个讲到全局池化的都会说GAP就是把avg pooling的窗口大小设置成feature map的大小，这虽然是正确的，但这并不是GAP内涵的全部。GAP的意义是对整个网络从结构上做正则化防止过拟合。既要参数少避免全连接带来的过拟合风险，又要能达到全连接一样的转换功能，怎么做呢？直接从feature map的通道上下手，如果我们最终有1000类，那么最后一层卷积输出的feature map就只有1000个channel，然后对这个feature map应用全局池化，输出长度为1000的向量，这就相当于剔除了全连接层黑箱子操作的特征，直接赋予了每个channel实际的类别意义。

    相比于全连接和Dropout等，全局池化有以下的优势：

（１） 通过加强特征图与类别的一致性，让卷积结构更简单 
（２）不需要进行参数优化，所以这一层可以避免过拟合 
（３）它对空间信息进行了求和，因而对输入的空间变换更具有稳定性

    

1. 迁移学习的四种情况

    在迁移学习中，有四种情况决定着该如何训练pre-trained neural network以便将其应用于新的问题。而这取决于两个因素：新数据集的大小以及新数据集与原始数据集(指训练pre-trained neural network使用的数据集)的相似程度。

    假设该训练好的网络第一层卷积用于检测边沿信息，第二层用于检测形状信息，第三层用于检测更为高级的特征。三个全连接层对高级特征组合后进行softmax分类。

    1.1 新数据集小并且与原始数据集相似

    在这种情况下(Feature extraction)：

    先去掉pre-trained neural network的最后一个全连接层。

    新增加符合新数据集类别个数的全连接层。

    其他预训练层的权值不动，只随机初始化新增加层的权值。

    使用新数据集来训练新的全连接层。

    为什么这样修改呢？因为新数据集小，首要考虑的一点就是防止过拟合，所有就保持原网络层的权值不动。另外因为数据集之间是相似的，那么也就可以认为网络之前在旧数据集上学得的高级特征(权值)也可用于新数据集。

    1.2 新数据集小且数据集间不相似

    在这种情况下：

    只保留前几层卷积层，后面的其它层全部去掉。

    然后添加一个新的全连接层，其神经元个数符合新数据集的类别数。

    其他预训练层的权值不动，只随机初始化新增加层的权值。

    使用新数据集来训练新的全连接层。

    因为数据集小，所以首要考虑的还是防止发生过拟合，所以原网络层的权值不动。但是由于数据集已经不相似了，原网络中深层卷积所检测的高级特征就不能应用于新数据集了，所以就将其去掉。但由于原网络一般都在大量的训练集上训练，所以低级特征的检测，也就是前几层卷积还是可以用于新数据集的

    1.3 新数据集大且数据集间相似

    在这种情况下(Fine tune)：

    先去掉pre-trained neural network的最后一个全连接层，然后添加一个新的全连接层，其神经元个数符合新数据集的类别数。

    随机初始化新添加的全连接层的权值。

    将预训练网络其它层的权值作为初始值。

    在新数据集上训练网络。

    此时，因为数据量大，并不容易发生过拟合，所以可以重训练整个网络。此外由于数据集相似，原网络层检测到的特征可用于新数据集，所以网络层上的原权值可以用来作为初始值，这样可以加快训练的速度。

    1.4 新数据集大且数据集间不相似

    这时可以：

    ·先去掉pre-trained neural network的最后一个全连接层，然后添加一个新的全连接层，其神经元个数符合新数据集的类别数。

    ·随机初始化全部层的权值，然后再新数据集上训练。

    ·或者，像1.3中一样，将原网络权值作为初始值进行训练。虽然此时数据集并不相同，但是使用原网络权值也可能会加快训练速度。如果这样不行，那就重新随机初始化权值。

    ·迁移学习网址；

    ·https://www.jianshu.com/p/07426ba049b6

    ·https://blog.csdn.net/vvnzhang2095/article/details/79882013

    ·http://transferlearning.xyz/

    

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