CNN卷积神经网络

Posted 2020-12-30 xingkongyihao

1、神经网络是什么？

神经网络由输入层、隐藏层和输出层组成，长相如下图所示。对于一些问题来说用线性回归可以解决，但有些问题用线性很麻烦，而用神经网络就很轻松了，各有各的优缺点。对于神经网络来说，是一种非线性的，输入参数，通过隐藏层输出结果。这隐藏层中，每一层都是根据前一层得到的，在进行wx+b运算后，会再进行激活函数，比如sigmod之类的集合函数，能很好的将值在约束在某一范围。

当然，一般的神经网络参数特别多，也有一些优化，就是将一些参数去除掉，尽可能的保留更多的信息。参数减少也有利于计算，但减少也有限制，信息不能丢失太多。如果参数过多，深等过深，那么计算是很庞大的。下图只有三层，每层的值也不是很多，但参数确增加了很多，密密麻麻的。

神经网络对于非线性可分问题，处理起来占很多的优势，用LR和SVM的话，虽然可以做，但很麻烦。如神经元完成“逻辑与”、“逻辑或”等运算，这样就可以计算很多了。下图是“逻辑与运算”。

2、卷积神经网络

卷积神经网络和神经网络有什么关系呢？

它们都是层级结构。下图是卷积神经网络的样子

卷积神经网络分为：输入层、卷积层、激励层、池化层、全连接层和输出层。

2.1 输入层

对于图像来说，处理输入数据常用的方法有三种：去均值、归一化和PAC/白化。 但一般值会用“去均值”

2.2 卷积层

1、局部关联。每个神经元看做一个filter（过滤器）

2、窗口滑动，filter对局部数据计算。

进行计算时，要理解这三个：深度、步长和填充值

下面看下卷积层计算的动态图，图片来源于网络。

 

对于彩色图的输入数据来说，一开始的深度是3，对每一个深度，卷积层计算时，会选定一个窗口，然后通过filter计算值，计算规则是对应的位置相乘的和。 然后开始滑动，这时就需要步长了，每次应该滑动多少这个应该要有所约束，但有时滑动时会越界，这时就需要填充值了，一般为0，就是在原来图的周围填充一些0，这样越界时，越界的地方，计算是按0来算的。filter(过滤器)可能也有很多，这个决定了下一层的深度。

卷积神经网络有优点很明显，参数共享机制，很多数据共用一个filter，这样对比神经网络来说，参数是大幅度的减少了，而且这计算出来的信息丢失率也很低。

对于一个神经元来说，它只会关注一个特征，当很多神经元组合在一起时，关注的特征是非常多的。当然，对于这些特征，无法用物理来说明的，我们只知道它会关注一个特征，但具体是什么就很难说了，对于第一层的特征还能看出一些来，当层数增加时，是很难看出关注的是什么特征的。

2.3 激励层

先放一张图

激励层是将卷积层输出结果做非线性映射。

常用的激活函数有：Sigmod、Tanh、ReLU、Leaky ReLU、ELU和Maxout

Sigmod函数入下图所示，是最常见的激活函数了，不过当值比较大时，导数接近为0，在反向传播需要很小心的。

ReLU函数，是卷积神经网络中常用的激活函数y = max(0, x)，它收敛快，求梯度简单，但较脆弱。

在激励层中不要使用Sigmod函数，首先使用ReLU，因为快但要小心，如果不行就尝试Leaky ReLU或者Maxout。

2.4池化层

1、夹在连续的卷积层中间

2、压缩数据和参数的量，减少过拟合

2.5 全连接层

1、两层之间所有神经元都有权重连接；

2、通常全连接层在卷积神经网络中的尾部。

 如果把全连接层放在中间的话，所产生的参数是非常多的，为了减少参数，通常是放在最后的。

 

一般CNN结构依次为：输入层 ——> [多个[卷积层——>激励层]  ——> 池化层] ——>全连接层 ——> 输出层

 

3、卷积神经网络的优缺点

优点：

1、共享卷积核，对高维数据处理无压力；

2、无需手动选取特征，训练好权重，即得特征；

3、分类效果好。

缺点：

1、需要调参，需要大量样本量，训练最好要GPU；

2、物理含义不明确。