深度学习：Keras入门之卷积神经网络(CNN)

Posted 2020-10-02 积跬步以前行

说明：这篇文章需要有一些相关的基础知识，否则看起来可能比较吃力。

1.卷积与神经元

         1.1 什么是卷积？

         简单来说，卷积(或内积)就是一种先把对应位置相乘然后再把结果相加的运算。(具体含义或者数学公式可以查阅相关资料)

         如下图就表示卷积的运算过程：

 

                                             （图1）

        卷积运算一个重要的特点就是，通过卷积运算，可以使原信号特征增强，并且降低噪音.

       1.2 激活函数

             这里以常用的激活函数sigmoid为例：

         

 

             把上述的计算结果269带入此公式，得出f(x)=1

      1.3 神经元

            如图是一个人工神经元的模型：

         

                                       （图2）

          对于每一个神经元，都包含以下几部分：

           x:表示输入

          w:表示权重

          θ:表示偏置

          ∑wx:表示卷积(内积)

           f :表示激活函数

           o:表示输出

      1.4 图像的滤波操作

            对于一个灰度图片(图3) 用sobel算子(图4)进行过滤，将得到如图5所示的图片。

 

 

      1.5小结

       上面的内容主要是为了统一一下概念上的认识：

       图1的蓝色部分、图2中的x_n、图3的图像都是神经元的输入部分;图1的红色部分数值值、图2的w_n值、图4的矩阵值都可以叫做权重(或者滤波器或者卷积核，下文统称权重)。而权重(或卷积核)的大小(如图4的3×3)叫做接受域(也叫感知野或者数据窗口，下文统称接受域)

 

2.卷积神经网络

    在介绍卷积神经网络定义之前，先说几种比较流行的卷积神经网络的结构图。

    2.1 常见的几种卷积神经网络结构图  

           

                                                                 (图6)     

        

                                                                (图7)

         

                                                              （图8）

          

                                                                 (图9)

        图8中的C-层、S-层是6中的Convolutions层和subsampling层的简写，C-层是卷积层，S-层是子抽样和局部平均层。在图6和图7中C-层、S-层不是指具体的某 一个层，而是指输入层和特征映射层、特征映射层和特征映射层之间的计算过程，而特征映射层则保持的是卷积、子抽样(或下采样)和局部平均的输出结果。而图 6和图7的区别在于最终结果输出之前是否有全连接层，而有没有全连接层会影响到是否还需要一个扁平层(扁平层在卷积层和全连接层之间，作用是多维数据一维化)。

       图9中CONV层是卷积层(即C-层)，但是新出现的RELU层和POOL层是什么呢？RELU层其实是激活层（relu只是激活函数的一种，sigmoid/tanh比较常见于全连接层,relu常见于卷积层)，为什么会多出来一个激活层呢？请看下图：

     

                     （图10）                                           （图2，方便对比复制了过来）

      神经元的完整的数学建模应该是图10所示，与图2相比，把原来在一起的操作拆成了两个独立的操作：∑wx(卷积)和f(激活)，因此多出了一个激活层。所以，在Keras中组建卷积神经网络的话，即可以采用如图2的方式(激活函数作为卷积函数的一个参数)也可采用图10所示的方式(卷积层和激活层分开)。激活层不需要参数。

      Pool层，即池化层，其作用和S-层一样：进行子抽样然后再进行局部平均。它没有参数，起到降维的作用。将输入切分成不重叠的一些 n×n 区域。每一个区域就包含个值。从这个值计算出一个值。计算方法可以是求平均、取最大 max 等等。假设 n=2，那么4个输入变成一个输出。输出图像就是输入图像的1/4大小。若把2维的层展平成一维向量，后面可再连接一个全连接前向神经网络。

      从图7可以看出，无论是卷积层还是池化层都可以叫做特征映射层，而两层之间的计算过程叫做卷积或者池化，但是这么表述容易在概念上产生混淆，所以本文不采用这种表述方式，只是拿来作为对比理解使用。

      下面对上面的内容做一下总结：

       卷积层(C-层或Convolutions层或CONV层或特征提取层，下文统称卷积层)：主要作用就是进行特征提取。

       池化层(S-层或子抽样局部平均层或下采样局部平均层或POOL层，下文统称池化层)：主要作用是减小特征图，起到降维的作用。常用的方法是选取局部区域的最大值或者平均值。如下图所示：

    

                                                        (图11)

         对于第一个卷积层来说(图6的C1-层)，一个特征对应一个通道(或叫feature map或特征映射或者叫滤波器，下文统称特征映射)，例如三原色(RGB)的图像就需要三个特征映射层。但是经过第一个池化层(图6的S2-层，PS:图中错标成了S1-层)之后，下一个特征提取层 (图6的C3-层)的特征映射 (feature map)个数并不一定与开始的相同了(图6中从8特征变成了20特征)，一般情况下会比初始的特征映射个数多，因为根据视觉系统原理----底层的结构构成上层更抽象的结构，所以当前层的特征映射是上一层的特征映射的组合，也就是一个特征映射会对应上一层的一个或多个特征映射。

  2.2 接受域和步长

        2.2.1 接受域

       

                                                 (图12)

             如图所示，中间的正方形都表示接受域，其大小为5*5。这里再重复一下：权重(卷积核)指的是数字，接受域指的是权重(卷积核)的大小。

        2.2.2 步长

      

                                                         （图13）

          接受域的对应范围从输入的区域1移到区域2的过程，或者从区域3移动到区域4都涉及到一个参数：步长，即每次移动的幅度。在此例中的步长可以表示成3或 者(3,3)，单个3表示横纵坐标方向都移动3个坐标点，如果(3,2)则表示横向移动3个坐标点，纵向移动2个坐标点。每次移动是按一个方向移动，不是两个方向都移 动(图13中，从区域1移动到区域2、区域3，然后才移动到区域4，如果两个方向都移动三个坐标点则从区域1到了区域5，是不对的)。

   2.3卷积神经网络

         2.3.1卷积神经网络定义

               卷积神经网络是一个多层的神经网络，每层由多个二维平面(特征映射)组成，而每个平面由多个独立神经元组成。

        2.3.2卷积神经网络特点

               卷积神经网络是为识别二维形状而特殊设计的一个多层感知器，这种网络结构对二维形状的平移、比例缩放、倾斜或者共他形式的变形具有高度不变性。

               卷积神经网络是前馈型网络。

       2.3.3 卷积神经网络的形式的约束

          2.3.3.1 特征提取

         每一个神经元从上一层的局部接受域得到突触输人，因而迫使它提取局部特征。一旦一个特征被提取出来，只要它相对于其他特征的位置被近似地保留下来，它的精确位置就变得没有那么重要了。

        下图两个X虽然有点稍微变形，但是还是可以识别出来都是X。

           

                                             (图14)

         2.3.3.2 特征映射

         网络的每一个计算层都是由多个特征映射组成的，每个特征映射都是平面形式的。平面中单独的神经元在约束下共享相同的突触权值集(权重)，这种结构形式具有如下的有益效果：

               a.平移不变性(图14的两个X)

               b.自由参数数量的缩减(通过权值共享实现)

        这里重点说下共享权值，以及卷积层神经单元个数的确定问题。

        以图12的结构为基础，做以下假设：

        假设一：输入范围在横纵方向与接受域正好是倍数关系

 

     

                                                   (图15)

      先说没有接受域的情况，如果特征映射有9个神经元，这9个神经元与9*9的输入做全连接，那么需要的权重个数为9*9*9=729个。添加了接受域后，9个神经元 分别与接受域做链接，这种情况下如果一个神经元对应一组权重，则有9*9=81个权重值，再假如这一组权重的值是固定的(可参考图12的接受域值，这组值不变，而不是每个值相等)，那么就只剩下了9个权重值。从729个权重值减少到9个权重值，这个过程就是权值共享的过程。也许从729减少到9个，差别不是特别大，如果输入是1000*1000，神经元个数是1000万呢？这样的话由权值共享导致的减少的计算量就很客观了。

             假设二：输入范围在横纵方向与接受域不是是倍数关系

              

                            (图16 )                                                 (图17)

          以图15为参考，只是把输入域变成图16所示的8*8的情况，若步长还是(3,3)，那么横纵向各移动一次后就无法移动了，即接受域的可视范围为粉色边框内的6*6的区域(图16的粉红框A区域和B区域)，外侧的2行2列的数据是读不到的。这种情况有两种处理方式，一是直接放弃，但是这种方式几乎不用，另外一种方式在周围补0(图17所示)，使输入域变成(3,3)的倍数。

       通过上述内容，可以知道每个特征映射的神经元的个数是由输入域大小、接受域、步长共同决定的。如图15，9*9的输入域、3*3的接受域、(3,3)的步长，可 以计算出特征映射的神经元个数为9个。

    2.3.3.3 子抽样

        每个卷积层后面跟着一个实现局部平均和子抽样的计算层(池化层)，由此特征映射的分辨率降低。这种操作具有使特征映射的输出对平移和其他形式的变形 的敏感度下降的作用。

 

3.用Keras构建一个卷积神经网络

    3.1 卷积神经网络结构图

 

                                                                                                     (图18)

    3.2 Keras中的输入及权重

         3.2.1 示例代码(小数字方便打印验证)

              PS：Convolution2D 前最好加ZeroPadding2D，否则需要自己计算输入、kernel_size、strides三者之间的关系，如果不是倍数关系，会直接报错。

model = Sequential()

model.add(ZeroPadding2D((1, 1), batch_input_shape=(1, 4, 4, 1)))
model.add(Convolution2D(filters=1,kernel_size=(3,3),strides=(3,3), activation=\'relu\', name=\'conv1_1\'))
model.layers[1].get_weights()

model.add(ZeroPadding2D((1, 1)))
model.add(Convolution2D(filters=1,kernel_size=(2,3),strides=(2,3), activation=\'relu\', name=\'conv1_2\'))
model.layers[3].get_weights()

        3.2.2 代码解释

           1) batch_input_shape=(1, 4, 4, 1)

               表示：输入1张1通道(或特征映射)的4*4的数据.因为我采用的是用Tensorflow做后端，所以采用“channels_last”数据格式。

           2) filters = 1

              表示：有1个通道(或特征映射)

           3) kernel_size = (2,3)

              表示：权重是2*3的矩阵

          4) striders = (2,3)

             表示：步长是(2,3)

       3.2.3 权重(默认会初始化权重)

         3.2.3.1 第一个model.layers[1].get_weights()输出(格式整理后)

         

                                   (图19)

         3.2.3.2 第二个model.layers[1].get_weights()输出

         

                                (图20)

         3.2.3.3 另外两个输出(没有写的参数值同上)

            1)batch_input_shape=(1, 4, 4, 3),filters = 1, kernel_size = (3,3)

              

                                               (图21)

           2) batch_input_shape=(1, 4, 4, 3),filters = 3, kernel_size = (2,3)

             

               (图22)

     3.2.4 小结

         图19到图22的内容是为了说明在Keras中权重的表示方式，为下面的实验做准备。

         通过以上参数得出的权重对比，当权重是二维矩阵(n*n)时：

         1) [[[…]]]：表示横轴数目

         2) [[…]]:表示纵轴数目

         3) […]:表示通道的个数。图21和图22的区别：因为图22是3通道3filter，所以每个通道对应一个filter(图20)，而图22相当于把3个图20合一起了。

        4) […]内逗号隔开的数：filter的个数

        5) [[[[…]]]]：这个可能代表层数(前面几个参数是平面的，这个参数是立体的。在下面的实验中没有得到具体验证，只是根据最外层是5个方括号推测的)

   3.3 sobel算子转化成权重

        由3.2.4的结论，可以把图4的sobel算子转换成Keras中的权重：

        weights = [[[[[-1]],[[0]],[[1]]],[[[-2]],[[0]],[[2]]],[[[-1]],[[0]],[[1]]]]]

        weights =np.array(weights)

        PS：注意最外围是5个方括号

   3.4 实验代码 

from PIL import Image
import  numpy as np
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Convolution2D, ZeroPadding2D, MaxPooling2D
from keras.optimizers import SGD

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   第一步：读取图片数据
   说明：这个过程需要安装pillow模块：pip install pillow
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##1张1通道的256*256的灰度图片
##data[0,0,0,0]：表示第一张图片的第一个通道的坐标为(0,0)的像素值
img_width, img_height = 256, 256
data = np.empty((1,1,img_width,img_height),dtype="float32")
##打开图片
img = Image.open("D:\\\\keras\\\\lena.jpg")
##把图片转换成数组形式
arr = np.asarray(img,dtype="float32")
data[0,:,:,:] = arr

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    第二步：设置权重
    说明：注意最外围是5个方括号
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weights = [[[[[-1]],[[0]],[[1]]],[[[-2]],[[0]],[[2]]],[[[-1]],[[0]],[[1]]]]]
weights =np.array(weights)

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   第三步：组织卷积神经网络
   说明：
   1.因为实验采用的是默认的tensorflow后端，而输入图像是channels_first模式，所以注意data_format参数的设置
   2.为了实验的效果，所以strides、pool_size等参数设置成了1
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##第一次卷积
model = Sequential()
model.add(ZeroPadding2D(padding=(2, 2), data_format=\'channels_first\', batch_input_shape=(1, 1,img_width, img_height)))
model.add(Convolution2D(filters=1,kernel_size=(3,3),strides=(1,1), activation=\'relu\', name=\'conv1_1\', data_format=\'channels_first\'))
model.set_weights(weights)

##第二次卷积
model.add(ZeroPadding2D((1, 1)))
model.add(Convolution2D(filters=1,kernel_size=(3,3),strides=(1,1), activation=\'relu\', name=\'conv1_2\',data_format=\'channels_first\'))
model.set_weights(weights)

##池化操作
model.add(ZeroPadding2D((0, 0)))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=1, strides=None,data_format=\'channels_first\'))

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   第四步： 设置优化参数并编译网络
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# 优化函数，设定学习率（lr）等参数
sgd = SGD(lr=0.01, decay=1e-6, momentum=0.9, nesterov=True) 
# 使用mse作为loss函数
model.compile(loss=\'mse\', optimizer=sgd, class_mode=\'categorical\') 

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    第五步：预测结果
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result = model.predict(data,batch_size=1,verbose=0)

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    第六步：保存结果到图片
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img_new=Image.fromarray(result[0][0]).convert(\'L\')
img_new.save("D:\\\\keras\\\\tt123.jpg")

   3.5 实验效果

    

                       (图23)                                                               (图24)

         图24是池化层参数改为pool_size=2时的效果。