您如何确定用于图像分类的卷积神经网络的参数？

Posted 2023-02-16

【中文标题】您如何确定用于图像分类的卷积神经网络的参数？

【英文标题】：How do you decide the parameters of a Convolutional Neural Network for image classification?

【发布时间】：2014-08-21 23:50:05

【问题描述】：

我正在使用 卷积神经网络（无监督特征学习来检测特征 + Softmax 回归分类器）进行图像分类。我已经阅读了 Andrew NG 在这方面的所有教程。 (http://ufldl.stanford.edu/wiki/index.php/UFLDL_Tutorial)。

我开发的网络有一个：

输入层 - 大小 8x8（64 个神经元） 隐藏层 - 大小为 400 个神经元 输出层 - 大小 3

我已经学习了使用稀疏自动编码器将输入层连接到隐藏层的权重，因此具有 400 个不同的特征。

通过从任何输入图像 (64x64) 中获取连续的 8x8 补丁并将其馈送到输入层，我得到了 400 个大小 (57x57) 的特征图。

然后我使用大小为 19 x 19 的窗口的最大池化来获得 400 个大小为 3x3 的特征图。

我将此特征图输入到 softmax 层，以将其分为 3 个不同的类别。

这些参数，例如隐藏层的数量（网络的深度）和每层的神经元数量，是在教程中提出的，因为它们已成功用于所有图像大小为 64x64 的特定数据集.

我想将此扩展到我自己的数据集，其中图像要大得多（比如 400x400）。 我如何决定

层数。

每层的神经元数量。

池化窗口的大小（最大池化）。

【参考方案1】：

简而言之，您决定可能的参数值，并使用这些值，运行一系列模型构建模拟，然后进行预测，以选择最佳参数值，从而提供最小的预测误差和更简单的模型。

在数据分析方面，我们使用holdout, cross-validation, bootstrapping 来决定模型参数的值，因为以无偏的方式进行预测很重要。

【参考方案2】：

隐藏层数： 所需隐藏层的数量取决于数据集的内在复杂性，这可以通过查看每个层实现的功能来理解：

零隐藏层允许网络仅对线性函数进行建模。这对于大多数图像识别任务来说是不够的。

一个隐藏层允许网络对任意复杂函数进行建模。这对于许多图像识别任务来说已经足够了。

理论上，两个隐藏层比单层几乎没有什么好处，但是，在实践中，一些任务可能会发现额外的层是有益的。这应该谨慎对待，因为第二层可能会导致过度拟合。使用两个以上的隐藏层几乎从不有益仅对特别复杂的任务有益，或者当有大量训练数据可用时（根据 Evgeni Sergeev 评论更新）。

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长话短说，如果您有时间，请同时测试一个和两个隐藏层，看看哪个可以达到最令人满意的结果。如果您没有时间，那么您应该在单个隐藏层上进行一次平底船，并且您不会出错。

卷积层数： 根据我的经验，卷积层越多越好（在合理的范围内，因为每个卷积层都会减少全连接层的输入特征的数量），尽管在大约两三层之后，精度增益变得相当小，所以你需要决定是否您的主要关注点是泛化准确性或训练时间。也就是说，所有图像识别任务都是不同的，因此最好的方法是简单地尝试一次增加一个卷积层的数量，直到您对结果满意为止。

每个隐藏层的节点数： ...再一次，没有决定节点数量的神奇公式，每个任务都不同。一个粗略的指导是使用前一层大小的 2/3 大小的节点数量，第一层大小是最终特征图大小的 2/3。然而，这只是一个粗略的指南，再次取决于数据集。另一个常用的选项是从过多的节点开始，然后通过剪枝去除不必要的节点。

最大池化窗口大小： 我总是在卷积之后直接应用最大池化，所以可能没有资格就您应该使用的窗口大小提出建议。也就是说，19x19 最大池化似乎过于严重，因为它实际上会丢弃大部分数据。或许你应该看看更传统的 LeNet 网络布局：

http://deeplearning.net/tutorial/lenet.html

https://www.youtube.com/watch?v=n6hpQwq7Inw

在其中重复执行卷积（通常是 5x5 或 3x3），然后是最大池化（通常使用 2x2 池化窗口，尽管对于大型输入图像可能需要 4x4）。

结论 找到合适的网络布局的最好方法就是进行试错测试。很多测试。没有万能的网络，只有您知道数据集的内在复杂性。执行必要测试次数的最有效方法是通过cross validation。

【讨论】：

在最先进的"PhotoOCR" paper from 2013 中，我们读到：“我们表现最好的配置是在配置 422-960-480-480-480- 中有五个隐藏层的网络480- 100. 层是全连接的并且使用整流线性单元...”。 （他们没有使用卷积层。）目前的答案是“使用两个以上的隐藏层几乎没有好处。”没有引用参考资料或提供论据。

@Evgeni Sergeev 有趣的发现，论文中使用的训练样本数量非常大，所以我猜他们可以在不过度拟合的情况下摆脱大型网络。我已经相应地更新了答案。