卷积神经网络cnn的实现

Posted 2022-08-15 timverion

卷积神经网络

代码：https://github.com/TimVerion/cat

卷积层

卷积层：通过在原始图像上平移来提取特征，每一个特征就是一个特征映射

原理:基于人脑的图片识别过程，我们可以认为图像的空间联系也是局部的像素联系比较紧密，而较远的像素相关性比较弱，所以每个神经元没有必要对全局图像进行感知，只要对局部进行感知，而在更高层次对局部的信息进行综合操作得出全局信息；即局部感知。

卷积分的知识

 

过程:

作用:

局部感知：在进行计算的时候，将图片划分为一个个的区域进行计算/考虑； 参数共享机制：假设每个神经元连接数据窗的权重是固定的 滑动窗口重叠：降低窗口与窗口之间的边缘不平滑的特性。

不同的过滤器产生不同的效果:

 

真实做了什么?

一步有一步的浓缩,产生更加靠谱更加准确的特征

 

一张图片卷积后高和宽如何变化?

# 卷积函数
def conv_fun(cache):
    x, w, b = cache["a"], cache["w"], cache["b"]
    pad, stride = cache["pad"], cache["stride"]
    N, C, H, W = x.shape
    F, C, HH, WW = w.shape
    # numpy提供的可以填充0的api,constant代表用一样的值填充前两维不填,后两维各自填充pad行
    x_padded = np.pad(x, ((0, 0), (0, 0), (pad, pad), (pad, pad)), mode=‘constant‘)
    H_new = int((H + 2 * pad - HH) / stride) + 1
    W_new = int((W + 2 * pad - WW) / stride) + 1
    s = stride
    out = np.zeros((N, F, H_new, W_new))
    for i in range(N):  # ith image
        for f in range(F):  # fth filter
            for j in range(H_new):
                for k in range(W_new):
                    out[i, f, j, k] = np.sum
                    (x_padded[i, :, j * s:(HH + j * s), k * s:(WW + k * s)] * w[f]) +b[f]
    return out

 

池化层

池化层：通过特征后稀疏参数来减少学习的参数，降低网络的复杂度，（最大池化和平均池化）

# 前向池化
def max_pool_forward(cache):
    x, HH, WW, s = cache["net"], cache["HH"], cache["WW"], cache["s"]
    N, C, H, W = x.shape
    H_new = 1 + int((H - HH) / s)
    W_new = 1 + int((W - WW) / s)
    out = np.zeros((N, C, H_new, W_new))
    for i in range(N):
        for j in range(C):
            for k in range(H_new):
                for l in range(W_new):
                    # 定位到某个窗口
                    window = x[i, j, k * s:HH + k * s, l * s:WW + l * s]
                    # 找到该窗口的最大值，然后赋值
                    out[i, j, k, l] = np.max(window)
    return out

ReLU层

http://playground.tensorflow.org/

作用:增加网络非线性的分割能力

# Relu函数
def Relu(x):
    return np.maximum(0, x)

全连接层

# 全连接
def fc(net, w, b):
    N = net.shape[0]
    # 把每个像素提取出来
    x_row = net.reshape(N, -1)
    out = np.dot(x_row, w) + b
    return out

CNN反向传播的不同之处

首先要注意的是，一般神经网络中每一层输入输出a,z都只是一个向量，而CNN中的a,z是一个三维张量，即由若干个输入的子矩阵组成。其次：

1. 池化层没有激活函数。这个问题倒比较好解决，我们可以令池化层的激活函数为σ(z)=z，即激活后就是自己本身。这样池化层激活函数的导数为1。

2. 池化层在前向传播的时候，对输入进行了压缩，那么我们向前反向推导上一层的误差时，需要做upsample处理。

3. 卷积层是通过张量卷积，或者说若干个矩阵卷积求和而得到当前层的输出，这和一般的网络直接进行矩阵乘法得到当前层的输出不同。这样在卷积层反向传播的时候，上一层误差的递推计算方法肯定有所不同。

4. 对于卷积层，由于W使用的运算是卷积，那么由该层误差推导出该层的所有卷积核的W,b的方式也不同。

池化层的反向传播

这时候假如前向的时候是最大化池化:

这时候要用到前向传播的时候最大值位置进行还原：

如果是平均:

 

卷积层的反向传播

吴恩达笔记中的推导:

卷积神经网络中的反向传播(可选/非梯度)

在现代深度学习框架中，你只需要执行正向传递，这个框架负责向后传递，所以大多数深度学习工程师不会这样做

需要麻烦的细节向后传递。卷积的向后传递网络是复杂的。但是，如果您愿意，您可以完成这个可选部分

来了解卷积网络中的backprop是什么样子的。

在之前的课程中，你实现了一个简单的(完全连接的)神经网络，使用反向传播来计算关于更新成本的导数

参数。类似地，在卷积神经网络中你可以计算为了更新参数对代价求导。backprop方程不是平常那样的，我们在课堂上没有推导出来，但是我们简单地介绍了一下:

Convolutional layer backward pass

让我们从实现CONV层的向后传递开始。

 

1. 计算dA:

这是计算dA对于一定的过滤器Wc的代价的公式以及一个给定的训练例子:

 

其中Wc是一个过滤器，dZhw是上一层传递过来的梯度,每次我们都将相同的过滤器Wc乘以不同的dZ更新的。我们这样做主要是因为当计算正向传播时，每个过滤器都是由不同的a_slice点乘求和。因此,当计算dA的反向传播的时候，我们也是把所有a_slice的梯度相加。

在代码中，在合适的for循环中，这个公式可以转化为:

da_prev_pad[vert_start:vert_end, horiz_start:horiz_end, :] 
+=,W[:,:,:,c] * dZ[i, h, w, c]

2. 计算dW: 这是计算dWc (dWc是一个过滤器的导数)关于损失的公式:

    

   其中aslice是原样本的一个窗口。因此，这就得到了W关于这个窗口的梯度。这是相同的W，我们将所有这些梯度相加得到dW。

   在代码中，在合适的for循环中，这个公式可以转化为:

   dW[:,:,:,c] += a_slice * dZ[i, h, w, c]

3. 计算db: 这是计算db对于一个过滤器Wc的代价的公式:

    

   正如您之前在基本神经网络中看到的，db是通过求和dZ来计算的。在本例中只需对conv输出(Z)的所有梯度求和。

   在代码中，在合适的for循环中，这个公式可以转化为:

   db[:,:,:,c] += dZ[i, h, w, c]

真实代码:

def conv_backward(dout, cache):
    x, w, b = cache["a"], cache["w"], cache["b"]
    pad, stride = cache["pad"], cache["stride"]
    F, C, HH, WW = w.shape
    N, C, H, W = x.shape
    H_new = 1 + int((H + 2 * pad - HH) / stride)
    W_new = 1 + int((W + 2 * pad - WW) / stride)
?
    dx = np.zeros_like(x)
    dw = np.zeros_like(w)
    db = np.zeros_like(b)
?
    s = stride
    x_padded = np.pad(x, ((0, 0), (0, 0), (pad, pad), (pad, pad)), ‘constant‘)
    dx_padded = np.pad(dx, ((0, 0), (0, 0), (pad, pad), (pad, pad)), ‘constant‘)
?
    for i in range(N):  # ith image
        for f in range(F):  # fth filter
            for j in range(H_new):
                for k in range(W_new):
                    window = x_padded[i, :, j * s:HH + j * s, k * s:WW + k * s]
                    # db = dout //  dw=dout*x // dx = dout*w
                    db[f] += dout[i, f, j, k]
                    dw[f] += window * dout[i, f, j, k]
                    dx_padded[i, :, j * s:HH + j * s, k * s:WW + k * s] 
                    += w[f] * dout[i, f, j, k]