PART 4 W1 卷积神经网络介绍

Posted 2023-03-20

参考技术A 一个是图像分类：如猫脸识别等；一个是目标检测：如无人驾驶技术中的各种交通信号检测技术

1. 卷积操作及过滤器/卷积核的概念

如上图所示：最左侧矩阵是一个灰度图像，中间是一个3*3的小矩阵，称为“卷积核”或“过滤器”。

卷积：先把卷积核放到灰度图像左上角（绿色框），盖住灰度图像上一个3*3的矩阵区域，然后9对对应的元素相乘，然后求和（得到0），然后把卷积核逐渐移动一行一行的“扫描”，最终得到最右侧矩阵。上述操作叫做“卷积”，最右侧矩阵是卷积的输出。

2. 垂直边缘检测

仍以上图为例，可以看到3*3的卷积核具体的数值构成为“左边一列1，中间一列0，右边一列-1”，这种卷积核在“扫描”灰度图像时，可以检测到灰度图像的垂直边缘。分析如下：

1）假设正在扫描的灰度区域没有垂直边缘，意味着区域内的值在左右方向上分布差不多，与卷积核做完运算后，左边的乘1，右边的乘-1，相加正好有一定的抵消作用，其实计算出来的结果会接近0。即：卷积结果接近0代表没有边缘。

2）有垂直边缘分为两种情况：目标区域“左边值较大，右边值较小” 或“左边值较小，右边值较大”。前一种情况在卷积操作后会得到一个较大的正值，后一种情况卷积操作后会得到一个较大的负值。

可以看出，较大的正值代表着目标区域的变化趋势与卷积核相同，即检测到的是与卷积核相同的边缘，而较大的负值代表目标区域的变化趋势与卷积核相反，即检测到的是与卷积核相反的边缘。

3. 卷积应用在卷积神经网络中

卷积操作如何应用于神经网络中？简言之，卷积核本身就是网络要学习的参数。如上图所示，我们并不是事先设定好要检测垂直边缘或水平边缘或其它什么边缘，而是要网络去学习要检测什么东西。

1. padding的原因

在上节展示的卷积操作中，可以看出，假设输入图像的大小为n*n，而卷积核的大小为f*f，那么卷积核从输入图像的左上角扫描到右下角，最终得到的结果大小为(n-f+1)*(n-f+1)，意味着如果一次次进行卷积，那么结果的尺寸会越来越小

另外，显然输入图像边缘的像素被使用的较少（最边缘的像素仅被使用一次），这显然会造成信息的丢失。

2. 如何进行padding

非常简单：把输入图像的四周补充p = (f-1)/2 圈的0，这样输入的图像尺寸变成了(n+2p)*(n+2p)，因此卷积后的大小变成了(n+2p -f + 1)*(n+2p -f + 1)=n*n，即与原始的图像有了相同的大小，且原始图像边缘的像素也被较多的利用到。

3. 几点补充

（1）卷积核的尺寸设置为 奇数 ：因为① 这样(f-1)/2就恰好是整数了，方便进行padding，② 有中心像素，便于表征卷积核的位置，等。

（2）根据是否进行padding，分为 普通卷积(valid) 和 同尺寸卷积(same)

1. 步长概念

在上文中讲到卷积，即使用一个卷积核对输入图像进行“扫描”并进行相应计算时，提到这个“扫描”是逐个像素逐个像素的迈进的。但是，并不一定非得这样，也可以每次跨越两个或更多个像素，这就是“步长”的概念，一般用s表示

2. 卷积结果尺寸与步长的关系

前文提到，若输入图像尺寸为n*n，卷积核尺寸为f*f，则卷积结果尺寸为(n+f-1)*(n+f-1)，若算上padding操作，则结果为(n+2p -f + 1)*(n+2p -f + 1)。这是在步长s=1的前提下成立。若步长不为1，则结果为floor((n+2p-f)/s+1)**2

3. 其它：数学中的卷积和神经网络中的卷积

需要说明的是，神经网络中所说的卷积和数学中说的卷积不是一回事，但数学中的卷积是啥就不追究了。

神经网络中的卷积操作，在数学的描述上，更像是一种“交叉相关性”的计算，可以看出，若目标区域与卷积核有类似的分布，则会计算出较大的正值（正相关），若有相反的分布，则会计算出较大的负值（负相关），若没什么关系，则会计算出接近0的值（不相关）。卷积操作的确很像一种相关性的计算。

1. RGB图像的数学构成

灰度图像是一个n*n的二维矩阵，彩色图像则是n*n*3 的三维矩阵，最外围的三个维度分别代表了RGB三原色的值，其中数字“3”在卷积神经网络中被称为通道数或信道数

2. 对RGB图像进行卷积

在对灰度图像进行卷积时，使用的是f*f的二维卷积核。在对RGB图像进行卷积时，则卷积核的维度也+1，变成了f*f*3。一次卷积的结果仍然是把所有的值加起来输出一个值。即： 一个三维的图像，和一个三维的卷积核，在进行完卷积操作后，输出的是一个二维的矩阵（如上图） 。

3. 当使用多个卷积核时的输出

如上图所示，可以使用多个卷积核（一个亮黄色，一个屎黄色）。根据前文描述，一个立体的卷积核在一个立体的矩阵上扫描完，结果是一个二维的。但当使用多个卷积核时，则输出了多个二维矩阵，这些二维矩阵沿着第三个维度排列到一起，使得结果重新变成了三维。此时，第三个维度的尺寸，反应的是卷积核数，也就是说 卷积核数就是信道数 。直观理解，每一个卷积核代表着检测了某一种特征，多个卷积核就是同时检测了多种特征，传递了多种信息。

1. 一个卷积层的数据的基本流

如上图所示，由于卷积核本身就是一堆待学参数w，所以卷积操作本质还是“加权求和”，之后会加入偏置值，然后进行非线性变换，然后输出（到下一层），可见还是那一套。

需要提一下的是，卷积的输入不一定是原始图像构成的矩阵，还有可能是上一个卷积的结果。原始图像是彩色的，有多个通道。卷积时可以用多个卷积核，最终产生的结果也是立体的。因此原始的输入与中间卷积层的输出，在数学形式上是统一的。因此可以“输入->卷积层->卷积层->...”这样操作。

2. 卷积层的参数规模

一个卷积层总的参数规模（包括w，不包括b）为： ，即：卷积核的大小的平方*上层输出的通道数）*本层所用的卷积核数。与上层输入的大小无关（但与通道数有关）

3. 一个卷积层涉及到的超参

卷积核的大小、是否padding、步长、卷积核数。

1. 一个示例

上图为一个简单的卷积神经网络示例： 一层一层的卷积，最后把所有的元素展开成一个一维向量，然后加一个全连接层。

2. 注意以下几点：

1⃣️ 实际上CNN会有卷积层、池化层、全连接层，而非仅有卷积和全连接；

2⃣️ 从数据的构成形式上看，按照网络从前往后的顺序，图片尺寸不断减小，信道数量不断增加。一般遵从这个趋势。

1. 池化

如上图所示，假设输入是一个4*4的矩阵，现在我们把它分割成2*2四个子矩阵（或者说使用一个2*2的核以2为步长扫描矩阵），对四个子区域分别求最大值，最终得到一个值为9、2、6、3的2*2的矩阵输出。这种操作就叫池化，具体为最大值池化。

2. 池化的作用

1⃣️ 一般来说，较大的值往往代表学到了一个重要或典型的特征，把原始输入以某种方式滤除掉一些不重要的值，只保留一些较大的值，相当于 强化了一些重要信息的表达 。2⃣️ 降低图片的尺寸，可以节省空间、加速运算等。

3. 池化的特点

并没有需要学习的参数（w、b之类的），也因此“池化层”一般并不被称为单独的一层。在卷积神经网络中，通常把一个卷积层+一个池化层的组合叫一层。

4. 池化的超参数及经验值

池化层没有要学习的参数，只有核心的两个超参：池化核的大小、池化步长。此外还有池化所用的reduce操作：最大或者平均（没有其它选项）。

一般把池化核的大小设置为3或2，步长为2。注意：步长为2意味着把图片减小到原来的一半。

reduce操作最常用最大池化，偶尔用平均池化，不会用其它操作。

上图为一个典型的卷积神经网络示例，描述如下：

输入层 ：彩色的手写数字图片，数学构成为32*32*3的矩阵，其中3为通道数。

Layer 1-卷积层 ：1）使用6个5*5*3的卷积核，以步长为1对输入层进行卷积，输出28*28*6的矩阵，2）然后使用2*2的最大池化，步长为2，最终输出14*14*6的矩阵。其中14为图片尺寸，6为信道数。

Layer2-卷积层 ：1）使用16个5*5*3的卷积核以步长1对上层输出进行卷积，输出10*10*16的矩阵，2）然后使用2*2的最大池化，步长为2，最终输出5*5*16的矩阵。

Layer3-全连接层： 把上层输出的5*5*16矩阵展开成1*400的一维向量，以120*400的权重矩阵送入本层120个神经元，激活后输出。

Layer4-全连接层： 120->84，激活后输出

输出层 ：84 -> 10，然后softmax后输出。

1. 参数少

假如原始图片尺寸为100*100*3，假设使用全连接，即使第二层仅用100个神经元，那也已经产生了100*100*3*100 = 300w个参数，难以想象。

假设使用卷积层，使用10个10*10*3的卷积核，那就是只有3000个参数，而能输出的矩阵规模是91*91*10=81000

2. 参数少的原因

1）稀疏连接：卷积核扫描矩阵产生输出，这个过程就从“神经元连接”的角度看，输入的左上角只连着输出的左上角，右上角只连右上角，而非“全连接”，参数就会少很多。2）参数共享：这么稀疏的连接，还是使用了同一套参数，进一步减少了参数的量。

3. 参数共享的其它好处

如果图片上有一只猫，那么不管这个猫在图片的什么位置，都不改变“这是一张猫的照片”。使用参数共享时，相当于用同样的特征提取作用到整个图片的各个区域，适应平移不变性，增强鲁棒性。