005-卷积神经网络01-卷积层

Posted 2021-01-13 mjerry

网络要做的步骤：（一个中国人，给中国人教学，为什么要写一堆英语？）

1， sample abatch of data（数据抽样）

2，it through the graph ,get loss（前向传播，得到损失值）

3，backprop to calculate the geadiets（反向传播计算梯度）

4，update the paramenters using the gradient（使用梯度更新参数）

 

 

卷积神经网络可以做的事情：

 

分类　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　取回（推荐）

 检测出(同事有分类和回归)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　分割

 

 自动驾驶（推荐利用GPU）

特征提取

 

姿势识别（关键点的定位）

 

 

 

 　　癌细胞判别　　　　　　　　　　　　　　　字体识别　　　　　　　　　　　　　　　　　　图标识别　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

 

 

 图像字幕（让机器读懂世界）CNN+LSTM

 

 style transfer（风格转移）

如何实现？

 

卷积神经网络组成:

[INPUT -CONV -RELU -POOL -FC]

?输入层
?卷积层
?激活函数
?池化层
?全连接层

 

卷积是什么鬼？

暂时有个小助手，叫做filter，帮我们在32×32×3上提取特征。

如何提取？先从直观上理解卷积到底干了一件什么事，先看二维的：

将32×32划分成一些区域，例如划分成好多5×5的区域，那么一个5×5的区域提取出一个特征值

特征值提取出来之后形成5×5的矩阵。

 

 提取出来的叫做特征图

 

 

前面少说了一个filter的深度，这里说一下：

filter的深度3，必须要与输入的深度3保持一致才可以。

为什么提取出的特征图是2个？

因为这里设置了filter1和filter2，分别提取出不同的特征，而且这两个特征图没有任何关系。

 

 

 比如说这个：

有f1，f2，f3，f4，f5，f6

就得到了6层特征图，将这6个特征图堆叠在一起，就会得到卷积的输出结果

 

 

 多层卷积：

说白了就是将卷积提取完的特征图当做输入，再进行卷积特征提取。

32×32×3用6个5×5×3的filter提取出了28×28×6的特征图，再将这个28×28×6的特征图用10个5×5×6的filter提取出了24×24×10的特征图

 

卷积提取的结果，大概是怎么样的？

通过输入→卷积→特征→卷积→特征→卷积→特征

相当于一步一步的浓缩，将最后的特征拿来作为分类或者回归的任务。

 

卷积（特征提取）的具体计算方法：

w0与x蓝色区域做内积（对应位置相乘后相加）：

f1第1层  = 0×1+ 0×1+ 0×1     + 0×-1+ 1×-1+ 1×0     + 0×-1+1×1+1×0 = 0

f1第2层  = 0×-1+0×-1+0×1     +0×-1+0×1+1×0     +0×-1+2×1+2×0 = 2

f1第3层 = 0×1+0×0+0×-1+      0×0+2×0+2×0+     0×1+0×-1+0×-1+ = 0

那么根据神经网络得分函数：f（x，w） = wx+b

这里的b  =1

那么输出的得分值就为f1+f2+f3+b = 0+2+0+1 =3

最右边绿色的矩阵第1行，第1列，就是3

 

第二步：同理计算出特征值的第1行，第2列，得到-5

 

 第三部，同理计算出特征值的第1行，第3列，得到-4

 

同样大小的filter在输入上向下挪2行，按照1,2,3的步骤继续计算，得到特征矩阵的第2行

再向下挪2行，得到特征矩阵的第3行

同理再得出f2（w1）的特征矩阵，也就是下面绿色的矩阵

 

卷积核的参数分析：

为什么是挪2格呢？为什么要按照这种方法滑动？

滑动的步长叫做stride

如果输入是7×7的矩阵，stride = 1的时候，每次滑动1格，filter = 3×3

那么最终得到的矩阵是5×5

如果stride  = 2，每次滑动2格，filter = 3×3

最终的矩阵是3×3

可见，stride越大，得到的特征图就越小。

我们希望stride比较小，那么我们得到的特征矩阵就会大一些，这样得到的特征就会多一些，

但是，效率与精度之间成反比关系，所以stride不能太大，也不能太小。

 

pad：

在用卷积提取特征值的时候，里面有一个+pad 1 是个什么东西？

先说一下在7×7用3×3，stride = 2 的卷积核提取特征的时候，

①，②，③号窗口中的①被利用了1次，②被利用了2次，③被利用了2次

也就是说，边缘上元素的利用率低于中间元素的利用率

那么②和③对最终的结果贡献要超过①，如何让①（边缘上的元素）也对最终结果贡献大一些呢？

其实，最初的图像是5×5大小的就像下图 黄色部分

pad的意思就是在原始输入图像的边缘上，加上一圈0

使得边缘上的元素利用率提高一些。

为什么要加0，因为这一圈，不是我们的原始输入，只是让他帮我们把边缘点都利用上，

这些0对网络来说，是一点用都没有的。

 

 

输入= 7 x 7

Filter = 3 x 3

Pad = 1

stride = 1

Output =7×7

 举个例子：

 

所有filter的大小必须一致。

参数共享：

试想一下，如果讲一个输入为32×32×3的矩阵进行卷积特征提取

filter  = 5×5，共有10个filter，stride = 1 pad =2那么特征矩阵就是一个

28×28×10的矩阵

输入一共有32×32×3 = 3072个权重参数，

filter提取特征一共有5×5×10 = 250个权重参数

如果输入层与卷积层全连接的话那么将会有76万个权重参数

对于计算和效率都是一件非常恐怖的事，

如果在输出层上将多有的参数进行共享（相等）的话，

28×28的每一个格子对应32×32中的5×5的一个区域的权重参数都相同的话，那么只需要5×5×3 = 750个参数

在加10个b参数，那么只需要760个参数就可以了。

个人理解：filter在整个提取过程中不变，所以filter的w权重参数也不变，那么特征矩阵对应于输入的w参数就不会变，特征矩阵的所有点都是用同一个权重参数提取的。

 

 

总结：

卷积层主要干了一件什么事？说白了就是特征提取，用权重参数提取输入的特征，得到特征矩阵。