卷積神經網路的全連接層

A. 神經網路的全連接層

全連接層（fully connected layers，FC）在整個神經網路中起到「分類器」的作用。

如果說卷積層、池化層和激活函數層等操作是將原始數據映射到隱層特徵空間的話，全連接層將學到的「分布式特徵表示」映射到「樣本標記空間」。

在實際使用中，全連接層可由卷積操作實現：對前層是全連接的全連接層可以轉化為卷積核為1x1的卷積；而前層是卷積層的全連接層可以轉化為卷積核為h*w的全局卷積，h和w分別為前層卷積結果的高和寬。

由於全連接層的參數冗餘（僅全連接層參數就可占整個網路參數80%左右），有些性能優異的網路模型如ResNet和GoogLeNet等均用全局平均池化（global average pooling，GAP）取代全連接層，來融合學到的深度特徵，最後仍用softmax等損失函數作為網路目標函數來指導學習過程。

B. 卷積神經網路（CNN）基礎

在七月初七情人節，牛郎織女相見的一天，我終於學習了CNN（來自CS231n），感覺感觸良多，所以趕快記下來，別忘了，最後祝大家情人節快樂5555555.正題開始!

CNN一共有卷積層（CONV）、ReLU層（ReLU）、池化層（Pooling）、全連接層（FC（Full Connection））下面是各個層的詳細解釋。

卷積，尤其是圖像的卷積，需要一個濾波器，用濾波器對整個圖像進行遍歷，我們假設有一個32*32*3的原始圖像A，濾波器的尺寸為5*5*3，用w表示，濾波器中的數據就是CNN的參數的一部分，那麼在使用濾波器w對A進行濾波的話，可以用下面的式子表示：

其中x為原始圖像的5*5*3的一部分，b是偏置項置為1。在對A進行濾波之後，產生的是一個28*28*1的數據。那麼假設我們存在6個濾波器，這六個濾波器之間彼此是獨立的，也就是他們內部的數據是不同的且沒有相關性的。可以理解為一個濾波器查找整幅圖像的垂直邊緣，一個查找水平邊緣，一個查找紅色，一個查找黑色這樣。那麼我就可以產生6個28*28*1的數據，將它們組合到一起就可以產生28*28*6的數據，這就是卷積層主要做的工作。

CNN可以看作一系列的卷積層和ReLU層對原始數據結構進行處理的神經網路，處理的過程可以用下面這幅圖表示

特別要注意的是濾波器的深度一定要與上一層傳來的數據的深度相同，就像上圖的第二個卷積層在處理傳來的28*28*6的數據時要使用5*5*6的濾波器.

濾波器在圖像上不斷移動對圖像濾波，自然存在步長的問題，在上面我們舉的例子都是步長為1的情況，如果步長為3的話，32*32*3的圖像經過5*5*3的濾波器卷積得到的大小是（32-5）/3+1=10， 註：步長不能為2因為（32-5）/2+1=14.5是小數。

所以當圖像大小是N，濾波器尺寸為F時，步長S，那麼卷積後大小為（N-F）/S+1

我們從上面的圖中可以看到圖像的長和寬在逐漸的減小，在經過超過5層之後極可能只剩下1*1的空間尺度，這樣是十分不好的，而且也不利於我們接下來的計算，所以我們想讓卷積層處理完之後圖像在空間尺度上大小不變，所以我們引入了pad the border的操作。pad其實就是在圖像周圍補0，擴大圖像的尺寸，使得卷積後圖像大小不變。在CNN中，主要存在4個超參數，濾波器個數K，濾波器大小F，pad大小P和步長S，其中P是整數，當P=1時，對原始數據的操作如圖所示：

那麼在pad操作後卷積後的圖像大小為：（N-F+2*P）/S+1
而要想讓卷積層處理後圖像空間尺度不變，P的值可以設為P=（F-1）/2

卷積層輸入W ₁ *H ₁ *D ₁ 大小的數據，輸出W ₂ *H ₂ *D ₂ 的數據，此時的卷積層共有4個超參數：
K：濾波器個數
P：pad屬性值
S：濾波器每次移動的步長
F：濾波器尺寸
此時輸出的大小可以用輸入和超參計算得到：
W ₂ =（W ₁ -F+2P）/S+1
H ₂ =（H ₁ -F+2P）/S+1
D ₂ =D ₁

1*1的濾波器也是有意義的，它在深度方向做卷積，例如1*1*64的濾波器對56*56*64的數據卷積得到56*56的數據

F通常是奇數，這樣可以綜合考慮上下左右四個方向的數據。

卷積層從神經元的角度看待可以有兩個性質： 參數共享和局域連接 。對待一個濾波器，例如5*5*3的一個濾波器，對32*32*3的數據卷積得到28*28的數據，可以看作存在28*28個神經元，每個對原圖像5*5*3的區域進行計算，這28*28個神經元由於使用同一個濾波器，所以參數相同，我們稱這一特性為 參數共享 。

針對不同的濾波器，我們可以看到他們會看到同一區域的圖像，相當於在深度方向存在多個神經元，他們看著相同區域叫做 局域連接

參數共享減少了參數的數量，防止了過擬合
局域連接為查找不同特徵更豐富的表現圖像提供了可能。
卷積就像是對原圖像的另一種表達。

激活函數，對於每一個維度經過ReLU函數輸出即可。不改變數據的空間尺度。

通過pad操作，輸出圖像在控制項上並沒有變化，但是深度發生了變化，越來越龐大的數據給計算帶來了困難，也出現了冗餘的特徵，所以需要進行池化操作，池化不改變深度，只改變長寬，主要有最大值和均值兩種方法，一般的池化濾波器大小F為2步長為2，對於最大值池化可以用下面的圖像清晰的表示：

卷積層輸入W ₁ *H ₁ *D ₁ 大小的數據，輸出W ₂ *H ₂ *D ₂ 的數據，此時的卷積層共有2個超參數：
S：濾波器每次移動的步長
F：濾波器尺寸
此時輸出的大小可以用輸入和超參計算得到：
W ₂ =（W ₁ -F）/S+1
H ₂ =（H ₁ -F）/S+1
D ₂ =D ₁

將最後一層（CONV、ReLU或Pool）處理後的數據輸入全連接層，對於W ₂ *H ₂ *D ₂ 數據，我們將其展成1*1*W ₂ *H ₂ *D ₂ 大小的數據，輸入層共有W ₂ *H ₂ *D ₂ 個神經元，最後根據問題確定輸出層的規模，輸出層可以用softmax表示。也就是說，全連接層就是一個常見的BP神經網路。而這個網路也是參數最多的部分，是接下來想要去掉的部分。完整的神經網路可以用下面的圖表示：

[(CONV-ReLU)*N-POOL?]*M-(FC-RELU)*K,SoftMax

1.更小的濾波器與更深的網路
2.只有CONV層而去掉池化與全鏈接

最早的CNN，用於識別郵編，結構為：
CONV-POOL-CONV-POOL-CONV-FC
濾波器大小5*5，步長為1，池化層2*2，步長為2

2012年由於GPU技術所限，原始AlexNet為兩個GPU分開計算，這里介紹合起來的結構。

輸入圖像為227*227*3

1.首次使用ReLU
2.使用Norm layers，現在已經拋棄，因為效果不大
3.數據經過預處理（例如大小變化，顏色變化等）
4.失活比率0.5
5.batch size 128
6.SGD Momentum 參數0.9（SGD和Momentum見我的其他文章）
7.學習速率 0.01，准確率不在提升時減少10倍，1-2次後達到收斂
8.L2權重減少0.0005
9.錯誤率15.4%

改進自AlexNet，主要改變：
1.CONV1的濾波器從11*11步長S=4改為7*7步長為2.
2.CONV3,4,5濾波器數量有384，384，256改為512，1024，512（濾波器數量為2的n次冪有利於計算機計算可以提高效率）
錯誤率：14.8%後繼續改進至11.2%

當前最好的最易用的CNN網路，所有卷積層濾波器的大小均為3*3，步長為1，pad=1，池化層為2*2的最大值池化，S=2。

主要參數來自全連接層，這也是想要去掉FC的原因。

具有高度的統一性和線性的組合，易於理解，十分方便有VGG-16，VGG-19等多種結構。
錯誤率7.3%

完全移除FC層，參數只有500萬，使用Inception模塊（不太理解，有時間繼續看）
准確率6.67%

准確率3.6%
擁有極深的網路結構，且越深准確率越高。是傳統CNN不具備的特點，傳統CNN並非越深越准確。需要訓練時間較長但是快於VGG

1.每個卷積層使用Batch Normalization
2.Xavier/2初始化
3.SGD+Momentum（0.9）
4.Learning rate:0.1,准確率不變減小10倍（因為Batch Normalization所以比AlexNet大）
5.mini-batch size 256
6.Weight decay of 0.00001
7.不適用失活（因為Batch Normalization）

具體的梯度過程學完ResNet再說吧。

C. 卷積神經網路

卷積神經網路 （Convolutional Neural Networks，CNN）是一種前饋神經網路。卷積神經網路是受生物學上感受野（Receptive Field）的機制而提出的。感受野主要是指聽覺系統、本體感覺系統和視覺系統中神經元的一些性質。比如在視覺神經系統中，一個神經元的感受野是指視網膜上的特定區域，只有這個區域內的刺激才能夠激活該神經元。

卷積神經網路又是怎樣解決這個問題的呢？主要有三個思路：

在使用CNN提取特徵時，到底使用哪一層的輸出作為最後的特徵呢？

答：倒數第二個全連接層的輸出才是最後我們要提取的特徵，也就是最後一個全連接層的輸入才是我們需要的特徵。

全連接層會忽視形狀。卷積層可以保持形狀不變。當輸入數據是圖像時，卷積層會以3維數據的形式接收輸入數據，並同樣以3維數據的形式輸出至下一層。因此，在CNN中，可以（有可能）正確理解圖像等具有形狀的數據。

CNN中，有時將 卷積層的輸入輸出數據稱為特徵圖（feature map） 。其中， 卷積層的輸入數據稱為輸入特徵圖（input feature map） ， 輸出數據稱為輸出特徵圖（output feature map）。

卷積層進行的處理就是 卷積運算 。卷積運算相當於圖像處理中的「濾波器運算」。

濾波器相當於權重或者參數，濾波器數值都是學習出來的。 卷積層實現的是垂直邊緣檢測 。

邊緣檢測實際就是將圖像由亮到暗進行區分，即邊緣的過渡(edge transitions)。

卷積層對應到全連接層，左上角經過濾波器，得到的3，相當於一個神經元輸出為3.然後相當於，我們把輸入矩陣拉直為36個數據，但是我們只對其中的9個數據賦予了權重。

步幅為1 ，移動一個，得到一個1，相當於另一個神經單元的輸出是1.

並且使用的是同一個濾波器，對應到全連接層，就是權值共享。

在這個例子中，輸入數據是有高長方向的形狀的數據，濾波器也一樣，有高長方向上的維度。假設用（height, width）表示數據和濾波器的形狀，則在本例中，輸入大小是(4, 4)，濾波器大小是(3, 3)，輸出大小是(2, 2)。另外，有的文獻中也會用「核」這個詞來表示這里所說的「濾波器」。

對於輸入數據，卷積運算以一定間隔滑動濾波器的窗口並應用。這里所說的窗口是指圖7-4中灰色的3 × 3的部分。如圖7-4所示，將各個位置上濾
波器的元素和輸入的對應元素相乘，然後再求和（有時將這個計算稱為乘積累加運算）。然後，將這個結果保存到輸出的對應位置。將這個過程在所有位置都進行一遍，就可以得到卷積運算的輸出。

CNN中，濾波器的參數就對應之前的權重。並且，CNN中也存在偏置。

在進行卷積層的處理之前，有時要向輸入數據的周圍填入固定的數據（比如0等），這稱為填充（padding），是卷積運算中經常會用到的處理。比如，在圖7-6的例子中，對大小為(4, 4)的輸入數據應用了幅度為1的填充。「幅度為1的填充」是指用幅度為1像素的0填充周圍。

應用濾波器的位置間隔稱為 步幅（stride） 。

假設輸入大小為(H, W)，濾波器大小為(FH, FW)，輸出大小為(OH, OW)，填充為P，步幅為S。

但是所設定的值必須使式（7.1）中的 和 分別可以除盡。當輸出大小無法除盡時（結果是小數時），需要採取報錯等對策。順便說一下，根據深度學習的框架的不同，當值無法除盡時，有時會向最接近的整數四捨五入，不進行報錯而繼續運行。

之前的卷積運算的例子都是以有高、長方向的2維形狀為對象的。但是，圖像是3維數據，除了高、長方向之外，還需要處理通道方向。

在3維數據的卷積運算中，輸入數據和濾波器的通道數要設為相同的值。

因此，作為4維數據，濾波器的權重數據要按(output_channel, input_channel, height, width)的順序書寫。比如，通道數為3、大小為5 × 5的濾
波器有20個時，可以寫成(20, 3, 5, 5)。

對於每個通道，均使用自己的權值矩陣進行處理，輸出時將多個通道所輸出的值進行加和即可。

卷積運算的批處理，需要將在各層間傳遞的數據保存為4維數據。具體地講，就是按(batch_num, channel, height, width)的順序保存數據。

這里需要注意的是，網路間傳遞的是4維數據，對這N個數據進行了卷積運算。也就是說，批處理將N次的處理匯總成了1次進行。

池化是縮小高、長方向上的空間的運算。比如，如圖7-14所示，進行將2 × 2的區域集約成1個元素的處理，縮小空間大小。

圖7-14的例子是按步幅2進行2 × 2的Max池化時的處理順序。「Max池化」是獲取最大值的運算，「2 × 2」表示目標區域的大小。如圖所示，從
2 × 2的區域中取出最大的元素。此外，這個例子中將步幅設為了2，所以2 × 2的窗口的移動間隔為2個元素。另外，一般來說，池化的窗口大小會和步幅設定成相同的值。比如，3 × 3的窗口的步幅會設為3，4 × 4的窗口的步幅會設為4等。

除了Max池化之外，還有Average池化等。相對於Max池化是從目標區域中取出最大值，Average池化則是計算目標區域的平均值。 在圖像識別領域，主要使用Max池化。 因此，本書中說到「池化層」時，指的是Max池化。

池化層的特徵
池化層有以下特徵。
沒有要學習的參數
池化層和卷積層不同，沒有要學習的參數。池化只是從目標區域中取最大值（或者平均值），所以不存在要學習的參數。
通道數不發生變化
經過池化運算，輸入數據和輸出數據的通道數不會發生變化。如圖7-15所示，計算是按通道獨立進行的。

​ 對微小的位置變化具有魯棒性（健壯）
​ 輸入數據發生微小偏差時，池化仍會返回相同的結果。因此，池化對輸入數據的微小偏差具有魯棒性。比如，3 × 3的池化的情況下，如圖
​ 7-16所示，池化會吸收輸入數據的偏差（根據數據的不同，結果有可能不一致）。

經過卷積層和池化層之後，進行Flatten，然後丟到全連接前向傳播神經網路。

（找到一張圖片使得某個filter響應最大。相當於filter固定，未知的是輸入的圖片。）未知的是輸入的圖片？？？

k是第k個filter，x是我們要找的參數。?這里我不是很明白。我得理解應該是去尋找最具有代表性的特徵。

使用im2col來實現卷積層

卷積層的參數是需要學習的，但是池化層沒有參數需要學習。全連接層的參數需要訓練得到。

池化層不需要訓練參數。全連接層的參數最多。卷積核的個數逐漸增多。激活層的size，逐漸減少。

最大池化只是計算神經網路某一層的靜態屬性，沒有什麼需要學習的，它只是一個靜態屬性 。

像這樣展開之後，只需對展開的矩陣求各行的最大值，並轉換為合適的形狀即可（圖7-22）。

參數
• input_dim ― 輸入數據的維度：（ 通道，高，長 ）
• conv_param ― 卷積層的超參數（字典）。字典的關鍵字如下：
filter_num ― 濾波器的數量
filter_size ― 濾波器的大小
stride ― 步幅
pad ― 填充
• hidden_size ― 隱藏層（全連接）的神經元數量
• output_size ― 輸出層（全連接）的神經元數量
• weitght_int_std ― 初始化時權重的標准差

LeNet

LeNet在1998年被提出，是進行手寫數字識別的網路。如圖7-27所示，它有連續的卷積層和池化層（正確地講，是只「抽選元素」的子采樣層），最後經全連接層輸出結果。

和「現在的CNN」相比，LeNet有幾個不同點。第一個不同點在於激活函數。LeNet中使用sigmoid函數，而現在的CNN中主要使用ReLU函數。
此外，原始的LeNet中使用子采樣（subsampling）縮小中間數據的大小，而現在的CNN中Max池化是主流。

AlexNet

在LeNet問世20多年後，AlexNet被發布出來。AlexNet是引發深度學習熱潮的導火線，不過它的網路結構和LeNet基本上沒有什麼不同，如圖7-28所示。

AlexNet疊有多個卷積層和池化層，最後經由全連接層輸出結果。雖然結構上AlexNet和LeNet沒有大的不同，但有以下幾點差異。
• 激活函數使用ReLU。
• 使用進行局部正規化的LRN（Local Response Normalization）層。
• 使用Dropout

TF2.0實現卷積神經網路

valid意味著不填充，same是填充
or the SAME padding, the output height and width are computed as:

out_height = ceil(float(in_height) / float(strides[1]))

out_width = ceil(float(in_width) / float(strides[2]))

And

For the VALID padding, the output height and width are computed as:

out_height = ceil(float(in_height - filter_height + 1) / float(strides[1]))

out_width = ceil(float(in_width - filter_width + 1) / float(strides[2]))
因此，我們可以設定 padding 策略。在 tf.keras.layers.Conv2D 中，當我們將 padding 參數設為 same 時，會將周圍缺少的部分使用 0 補齊，使得輸出的矩陣大小和輸入一致。

D. 理解神經網路卷積層、全連接層

https://zhuanlan.hu.com/p/32472241

卷積神經網路，這玩意兒乍一聽像是生物和數學再帶點計算機技術混合起來的奇怪東西。奇怪歸奇怪，不得不說，卷積神經網路是計算機視覺領域最有影響力的創造之一。

2012年是卷積神經網路崛起之年。這一年，Alex Krizhevsky帶著卷積神經網路參加了ImageNet競賽（其重要程度相當於奧運會）並一鳴驚人，將識別錯誤率從26%降到了15%,。從那開始，很多公司開始使用深度學習作為他們服務的核心。比如，Facebook在他們的自動標記演算法中使用了它，Google在照片搜索中使用了，Amazon在商品推薦中使用，Printerst應用於為他們的家庭飼養服務提供個性化定製，而Instagram應用於他們的搜索引擎。

然而，神經網路最開始也是最多的應用領域是圖像處理。那我們就挑這塊來聊聊，怎樣使用卷積神經網路（下面簡稱CNN）來進行圖像分類。

圖像分類是指，向機器輸入一張圖片，然後機器告訴我們這張圖片的類別（一隻貓，一條狗等等），或者如果它不確定的話，它會告訴我們屬於某個類別的可能性（很可能是條狗但是我不太確定）。對我們人類來說，這件事情簡單的不能再簡單了，從出生起，我們就可以很快地識別周圍的物體是什麼。當我們看到一個場景，我們總能快速地識別出所有物體，甚至是下意識的，沒有經過有意的思考。但這種能力，機器並不具有。所以我們更加要好好珍惜自己的大腦呀！ (:зゝ∠)

電腦和人看到的圖片並不相同。當我們輸入一張圖片時，電腦得到的只是一個數組，記錄著像素的信息。數組的大小由圖像的清晰度和大小決定。假設我們有一張jpg格式的480 480大小的圖片，那麼表示它的數組便是480 480*3大小的。數組中所有數字都描述了在那個位置處的像素信息，大小在[0,255]之間。

這些數字對我們來說毫無意義，但這是電腦們可以得到的唯一的信息（也足夠了）。抽象而簡單的說，我們需要一個接受數組為輸入，輸出一個數組表示屬於各個類別概率的模型。

既然問題我們已經搞明白了，現在我們得想想辦法解決它。我們想讓電腦做的事情是找出不同圖片之間的差別，並可以識別狗狗（舉個例子）的特徵。

我們人類可以通過一些與眾不同的特徵來識別圖片，比如狗狗的爪子和狗有四條腿。同樣地，電腦也可以通過識別更低層次的特徵（曲線，直線）來進行圖像識別。電腦用卷積層識別這些特徵，並通過更多層卷積層結合在一起，就可以像人類一樣識別出爪子和腿之類的高層次特徵，從而完成任務。這正是CNN所做的事情的大概脈絡。下面，我們進行更具體的討論。

在正式開始之前，我們先來聊聊CNN的背景故事。當你第一次聽說卷積神經網路的時候，你可能就會聯想到一些與神經學或者生物學有關的東西，不得不說，卷積神經網路還真的與他們有某種關系。

CNN的靈感的確來自大腦中的視覺皮層。視覺皮層某些區域中的神經元只對特定視野區域敏感。1962年，在一個Hubel與Wiesel進行的試驗（ 視頻 ）中，這一想法被證實並且拓展了。他們發現，一些獨立的神經元只有在特定方向的邊界在視野中出現時才會興奮。比如，一些神經元在水平邊出現時興奮，而另一些只有垂直邊出現時才會。並且所有這種類型的神經元都在一個柱狀組織中，並且被認為有能力產生視覺。

在一個系統中，一些特定的組件發揮特定的作用（視覺皮層中的神經元尋找各自特定的特徵）。這一想法應用於很多機器中，並且也是CNN背後的基本原理。 （譯者註：作者沒有說清楚。類比到CNN中，應是不同的卷積核尋找圖像中不同的特徵）

回到主題。

更詳細的說，CNN的工作流程是這樣的：你把一張圖片傳遞給模型，經過一些卷積層，非線性化（激活函數），池化，以及全連層，最後得到結果。就像我們之前所說的那樣，輸出可以是單獨的一個類型，也可以是一組屬於不同類型的概率。現在，最不容易的部分來了：理解各個層的作用。

首先，你要搞清楚的是，什麼樣的數據輸入了卷積層。就像我們之前提到的那樣，輸入是一個32 × 32 × 3（打個比方）的記錄像素值的數組。現在，讓我來解釋卷積層是什麼。解釋卷積層最好的方法，是想像一個手電筒照在圖片的左上角。讓我們假設手電筒的光可以招到一個5 × 5的區域。現在，讓我們想像這個手電筒照過了圖片的所有區域。在機器學習術語中，這樣一個手電筒被稱為卷積核（或者說過濾器，神經元） (kernel, filter, neuron) 。而它照到的區域被稱為感知域 (receptive field) 。卷積核同樣也是一個數組（其中的數被稱為權重或者參數）。很重要的一點就是卷積核的深度和輸入圖像的深度是一樣的（這保證可它能正常工作），所以這里卷積核的大小是5 × 5 × 3。

現在，讓我們拿卷積核的初始位置作為例子，它應該在圖像的左上角。當卷積核掃描它的感知域（也就是這張圖左上角5 × 5 × 3的區域）的時候，它會將自己保存的權重與圖像中的像素值相乘（或者說，矩陣元素各自相乘，注意與矩陣乘法區分），所得的積會相加在一起（在這個位置，卷積核會得到5 × 5 × 3 = 75個積）。現在你得到了一個數字。然而，這個數字只表示了卷積核在圖像左上角的情況。現在，我們重復這一過程，讓卷積核掃描完整張圖片，（下一步應該往右移動一格，再下一步就再往右一格，以此類推），每一個不同的位置都產生了一個數字。當掃描完整張圖片以後，你會得到一組新的28 × 28 × 1的數。 （譯者註：(32 - 5 + 1) × (32 - 5 + 1) × 1） 。這組數，我們稱為激活圖或者特徵圖 (activation map or feature map) 。

如果增加卷積核的數目，比如，我們現在有兩個卷積核，那麼我們就會得到一個28 × 28 × 2的數組。通過使用更多的卷積核，我們可以更好的保留數據的空間尺寸。

在數學層面上說，這就是卷積層所做的事情。

讓我們來談談，從更高角度來說，卷積在做什麼。每一個卷積核都可以被看做特徵識別器。我所說的特徵，是指直線、簡單的顏色、曲線之類的東西。這些都是所有圖片共有的特點。拿一個7 × 7 × 3的卷積核作為例子，它的作用是識別一種曲線。（在這一章節，簡單起見，我們忽略卷積核的深度，只考慮第一層的情況）。作為一個曲線識別器，這個卷積核的結構中，曲線區域內的數字更大。（記住，卷積核是一個數組）

現在我們來直觀的看看這個。舉個例子，假設我們要把這張圖片分類。讓我們把我們手頭的這個卷積核放在圖片的左上角。

記住，我們要做的事情是把卷積核中的權重和輸入圖片中的像素值相乘。

(譯者註：圖中最下方應是由於很多都是0所以把0略過不寫了。)

基本上，如果輸入圖像中有與卷積核代表的形狀很相似的圖形，那麼所有乘積的和會很大。現在我們來看看，如果我們移動了卷積核呢？

可以看到，得到的值小多了！這是因為感知域中沒有與卷積核表示的相一致的形狀。還記得嗎，卷積層的輸出是一張激活圖。所以，在單卷積核卷積的簡單情況下，假設卷積核是一個曲線識別器，那麼所得的激活圖會顯示出哪些地方最有可能有曲線。在這個例子中，我們所得激活圖的左上角的值為6600。這樣大的數字表明很有可能這片區域中有一些曲線，從而導致了卷積核的激活 （譯者註：也就是產生了很大的數值。） 而激活圖中右上角的數值是0，因為那裡沒有曲線來讓卷積核激活（簡單來說就是輸入圖像的那片區域沒有曲線）。

但請記住，這只是一個卷積核的情況，只有一個找出向右彎曲的曲線的卷積核。我們可以添加其他卷積核，比如識別向左彎曲的曲線的。卷積核越多，激活圖的深度就越深，我們得到的關於輸入圖像的信息就越多。

在傳統的CNN結構中，還會有其他層穿插在卷積層之間。我強烈建議有興趣的人去閱覽並理解他們。但總的來說，他們提供了非線性化，保留了數據的維度，有助於提升網路的穩定度並且抑制過擬合。一個經典的CNN結構是這樣的：

網路的最後一層很重要，我們稍後會講到它。

現在，然我們回頭看看我們已經學到了什麼。

我們講到了第一層卷積層的卷積核的目的是識別特徵，他們識別像曲線和邊這樣的低層次特徵。但可以想像，如果想預測一個圖片的類別，必須讓網路有能力識別高層次的特徵，例如手、爪子或者耳朵。讓我們想想網路第一層的輸出是什麼。假設我們有5個5 × 5 × 3的卷積核，輸入圖像是32 × 32 × 3的，那麼我們會得到一個28 × 28 × 5的數組。來到第二層卷積層，第一層的輸出便成了第二層的輸入。這有些難以可視化。第一層的輸入是原始圖片，可第二層的輸入只是第一層產生的激活圖，激活圖的每一層都表示了低層次特徵的出現位置。如果用一些卷積核處理它，得到的會是表示高層次特徵出現的激活圖。這些特徵的類型可能是半圓（曲線和邊的組合）或者矩形（四條邊的組合）。隨著卷積層的增多，到最後，你可能會得到可以識別手寫字跡、粉色物體等等的卷積核。

如果，你想知道更多關於可視化卷積核的信息，可以看這篇 研究報告 ，以及這個 視頻 。

還有一件事情很有趣，當網路越來越深，卷積核會有越來越大的相對於輸入圖像的感知域。這意味著他們有能力考慮來自輸入圖像的更大范圍的信息（或者說，他們對一片更大的像素區域負責）。

到目前為止，我們已經識別出了那些高層次的特徵吧。網路最後的畫龍點睛之筆是全連層。

簡單地說，這一層接受輸入（來自卷積層，池化層或者激活函數都可以），並輸出一個N維向量，其中，N是所有有可能的類別的總數。例如，如果你想寫一個識別數字的程序，那麼N就是10，因為總共有10個數字。N維向量中的每一個數字都代表了屬於某個類別的概率。打個比方，如果你得到了[0 0.1 0.1 0.75 0 0 0 0 0 0.05]，這代表著這張圖片是1的概率是10%，是2的概率是10%，是3的概率是75%，是9的概率5%（小貼士：你還有其他表示輸出的方法，但現在我只拿softmax (譯者註：一種常用於分類問題的激活函數) 來展示）。全連層的工作方式是根據上一層的輸出（也就是之前提到的可以用來表示特徵的激活圖）來決定這張圖片有可能屬於哪個類別。例如，如果程序需要預測哪些圖片是狗，那麼全連層在接收到一個包含類似於一個爪子和四條腿的激活圖時輸出一個很大的值。同樣的，如果要預測鳥，那麼全連層會對含有翅膀和喙的激活圖更感興趣。

基本上，全連層尋找那些最符合特定類別的特徵，並且具有相應的權重，來使你可以得到正確的概率。

現在讓我們來說說我之前有意沒有提到的神經網路的可能是最重要的一個方面。剛剛在你閱讀的時候，可能會有一大堆問題想問。第一層卷積層的卷積核們是怎麼知道自己該識別邊還是曲線的？全連層怎麼知道該找哪一種激活圖？每一層中的參數是怎麼確定的？機器確定參數（或者說權重）的方法叫做反向傳播演算法。

在講反向傳播之前，我們得回頭看看一個神經網路需要什麼才能工作。我們出生的時候並不知道一條狗或者一隻鳥長什麼樣。同樣的，在CNN開始之前，權重都是隨機生成的。卷積核並不知道要找邊還是曲線。更深的卷積層也不知道要找爪子還是喙。

等我們慢慢長大了，我們的老師和父母給我們看不同的圖片，並且告訴我們那是什麼（或者說，他們的類別）。這種輸入一幅圖像以及這幅圖像所屬的類別的想法，是CNN訓練的基本思路。在細細講反向傳播之前，我們先假設我們有一個包含上千張不同種類的動物以及他們所屬類別的訓練集。

反向傳播可以被分成四個不同的部分。前向傳播、損失函數、反向傳播和權重更新。

在前向傳播的階段，我們輸入一張訓練圖片，並讓它通過整個神經網路。對於第一個輸入圖像，由於所有權重都是隨機生成的，網路的輸出很有可能是類似於[.1 .1 .1 .1 .1 .1 .1 .1 .1 .1]的東西，一般來說並不對任一類別有偏好。具有當前權重的網路並沒有能力找出低層次的特徵並且總結出可能的類別。

下一步，是損失函數部分。注意，我們現在使用的是訓練數據。這些數據又有圖片又有類別。打個比方，第一張輸入的圖片是數字「3」。那麼它的標簽應該是[0 0 0 1 0 0 0 0 0 0]。一個損失函數可以有很多定義的方法，但比較常見的是MSE（均方誤差）。被定義為(實際−預測)22(實際−預測)22。

記變數L為損失函數的值。正如你想像的那樣，在第一組訓練圖片輸入的時候，損失函數的值可能非常非常高。來直觀地看看這個問題。我們想到達CNN的預測與數據標簽完全一樣的點（這意味著我們的網路預測的很對）。為了到達那裡，我們想要最小化誤差。如果把這個看成一個微積分問題，那我們只要找到哪些權重與網路的誤差關系最大。

這就相當於數學中的δLδWδLδW (譯者註：對L關於W求導) ，其中，W是某個層的權重。現在，我們要對網路進行 反向傳播 。這決定了哪些權重與誤差的關系最大，並且決定了怎樣調整他們來讓誤差減小。計算完這些導數以後，我們就來到了最後一步： 更新權重 。在這里，我們以與梯度相反的方向調整層中的權重。

學習率是一個有程序員決定的參數。一個很高的學習率意味著權重調整的幅度會很大，這可能會讓模型更快的擁有一組優秀的權重。然而，一個太高的學習率可能會讓調整的步伐過大，而不能精確地到達最佳點。

前向傳播、損失函數、反向傳播和更新權重，這四個過程是一次迭代。程序會對每一組訓練圖片重復這一過程（一組圖片通常稱為一個batch）。當對每一張圖片都訓練完之後，很有可能你的網路就已經訓練好了，權重已經被調整的很好。

最後，為了驗證CNN是否工作的很好，我們還有另一組特殊的數據。我們把這組數據中的圖片輸入到網路中，得到輸出並和標簽比較，這樣就能看出網路的表現如何了。

E. 卷積神經網路為什麼最後接一個全連接層

在常見的卷積神經網路的最後往往會出現一兩層全連接層，全連接一般會把卷積輸出的二維特徵圖（feature map）轉化成（N*1）一維的一個向量
全連接的目的是什麼呢？因為傳統的端到到的卷積神經網路的輸出都是分類（一般都是一個概率值），也就是幾個類別的概率甚至就是一個數--類別號，那麼全連接層就是高度提純的特徵了，方便交給最後的分類器或者回歸。

但是全連接的參數實在是太多了，你想這張圖里就有20*12*12*100個參數，前面隨便一層卷積，假設卷積核是7*7的，厚度是64，那也才7*7*64，所以現在的趨勢是盡量避免全連接，目前主流的一個方法是全局平均值。也就是最後那一層的feature map（最後一層卷積的輸出結果），直接求平均值。有多少種分類就訓練多少層，這十個數字就是對應的概率或者叫置信度。

F. 卷積神經網路用全連接層的參數是怎麼確定的

卷積神經網路用全連接層的參數確定：卷積神經網路與傳統的人臉檢測方法不同，它是通過直接作用於輸入樣本，用樣本來訓練網路並最終實現檢測任務的。

它是非參數型的人臉檢測方法，可以省去傳統方法中建模、參數估計以及參數檢驗、重建模型等的一系列復雜過程。本文針對圖像中任意大小、位置、姿勢、方向、膚色、面部表情和光照條件的人臉。

輸入層

卷積神經網路的輸入層可以處理多維數據，常見地，一維卷積神經網路的輸入層接收一維或二維數組，其中一維數組通常為時間或頻譜采樣；二維數組可能包含多個通道；二維卷積神經網路的輸入層接收二維或三維數組；三維卷積神經網路的輸入層接收四維數組。

由於卷積神經網路在計算機視覺領域應用較廣，因此許多研究在介紹其結構時預先假設了三維輸入數據，即平面上的二維像素點和RGB通道。

G. 卷積神經網路

關於花書中卷積網路的筆記記錄於 https://www.jianshu.com/p/5a3c90ea0807 。

卷積神經網路（Convolutional Neural Network，CNN或ConvNet）是一種具有 局部連接、權重共享 等特性的深層前饋神經網路。卷積神經網路是受生物學上感受野的機制而提出。 感受野（Receptive Field） 主要是指聽覺、視覺等神經系統中一些神經元的特性，即 神經元只接受其所支配的刺激區域內的信號 。

卷積神經網路最早是主要用來處理圖像信息。如果用全連接前饋網路來處理圖像時，會存在以下兩個問題：

目前的卷積神經網路一般是由卷積層、匯聚層和全連接層交叉堆疊而成的前饋神經網路，使用反向傳播演算法進行訓練。 卷積神經網路有三個結構上的特性：局部連接，權重共享以及匯聚 。這些特性使卷積神經網路具有一定程度上的平移、縮放和旋轉不變性。

卷積（Convolution）是分析數學中一種重要的運算。在信號處理或圖像處理中，經常使用一維或二維卷積。

一維卷積經常用在信號處理中，用於計算信號的延遲累積。假設一個信號發生器每個時刻t 產生一個信號 ，其信息的衰減率為 ，即在 個時間步長後，信息為原來的 倍。假設 ，那麼在時刻t收到的信號 為當前時刻產生的信息和以前時刻延遲信息的疊加：

我們把 稱為 濾波器（Filter）或卷積核（Convolution Kernel） 。假設濾波器長度為 ，它和一個信號序列 的卷積為：

信號序列 和濾波器 的卷積定義為：

一般情況下濾波器的長度 遠小於信號序列長度 ，下圖給出一個一維卷積示例，濾波器為 ：

二維卷積經常用在圖像處理中。因為圖像為一個兩維結構，所以需要將一維卷積進行擴展。給定一個圖像 和濾波器 ，其卷積為：

下圖給出一個二維卷積示例：

注意這里的卷積運算並不是在圖像中框定卷積核大小的方框並將各像素值與卷積核各個元素相乘並加和，而是先把卷積核旋轉180度，再做上述運算。

在圖像處理中，卷積經常作為特徵提取的有效方法。一幅圖像在經過卷積操作後得到結果稱為 特徵映射（Feature Map） 。

最上面的濾波器是常用的高斯濾波器，可以用來對圖像進行 平滑去噪 ；中間和最下面的過濾器可以用來 提取邊緣特徵 。

在機器學習和圖像處理領域，卷積的主要功能是在一個圖像（或某種特徵）上滑動一個卷積核（即濾波器），通過卷積操作得到一組新的特徵。在計算卷積的過程中，需要進行卷積核翻轉（即上文提到的旋轉180度）。 在具體實現上，一般會以互相關操作來代替卷積，從而會減少一些不必要的操作或開銷。

互相關（Cross-Correlation）是一個衡量兩個序列相關性的函數，通常是用滑動窗口的點積計算來實現 。給定一個圖像 和卷積核 ，它們的互相關為：

互相關和卷積的區別僅在於卷積核是否進行翻轉。因此互相關也可以稱為不翻轉卷積 。當卷積核是可學習的參數時，卷積和互相關是等價的。因此，為了實現上（或描述上）的方便起見，我們用互相關來代替卷積。事實上，很多深度學習工具中卷積操作其實都是互相關操作。

在卷積的標準定義基礎上，還可以引入濾波器的 滑動步長 和 零填充 來增加卷積多樣性，更靈活地進行特徵抽取。

濾波器的步長（Stride）是指濾波器在滑動時的時間間隔。

零填充（Zero Padding）是在輸入向量兩端進行補零。

假設卷積層的輸入神經元個數為 ，卷積大小為 ，步長為 ，神經元兩端各填補 個零，那麼該卷積層的神經元數量為 。

一般常用的卷積有以下三類：

因為卷積網路的訓練也是基於反向傳播演算法，因此我們重點關注卷積的導數性質：

假設 。

， ， 。函數 為一個標量函數。

則由 有：

可以看出， 關於 的偏導數為 和 的卷積 ：

同理得到：

當 或 時， ，即相當於對 進行 的零填充。從而 關於 的偏導數為 和 的寬卷積 。

用互相關的「卷積」表示，即為（注意 寬卷積運算具有交換性性質 ）：

在全連接前饋神經網路中，如果第 層有 個神經元，第 層有 個神經元，連接邊有 個，也就是權重矩陣有 個參數。當 和 都很大時，權重矩陣的參數非常多，訓練的效率會非常低。

如果採用卷積來代替全連接，第 層的凈輸入 為第 層活性值 和濾波器 的卷積，即：

根據卷積的定義，卷積層有兩個很重要的性質：

由於局部連接和權重共享，卷積層的參數只有一個m維的權重 和1維的偏置 ，共 個參數。參數個數和神經元的數量無關。此外，第 層的神經元個數不是任意選擇的，而是滿足 。

卷積層的作用是提取一個局部區域的特徵，不同的卷積核相當於不同的特徵提取器。

特徵映射（Feature Map）為一幅圖像（或其它特徵映射）在經過卷積提取到的特徵，每個特徵映射可以作為一類抽取的圖像特徵。 為了提高卷積網路的表示能力，可以在每一層使用多個不同的特徵映射，以更好地表示圖像的特徵。

在輸入層，特徵映射就是圖像本身。如果是灰度圖像，就是有一個特徵映射，深度 ；如果是彩色圖像，分別有RGB三個顏色通道的特徵映射，深度 。

不失一般性，假設一個卷積層的結構如下：

為了計算輸出特徵映射 ，用卷積核 分別對輸入特徵映射 進行卷積，然後將卷積結果相加，並加上一個標量偏置 得到卷積層的凈輸入 再經過非線性激活函數後得到輸出特徵映射 。

在輸入為 ，輸出為 的卷積層中，每個輸出特徵映射都需要 個濾波器以及一個偏置。假設每個濾波器的大小為 ，那麼共需要 個參數。

匯聚層（Pooling Layer）也叫子采樣層（Subsampling Layer），其作用是進行特徵選擇，降低特徵數量，並從而減少參數數量。

常用的匯聚函數有兩種：

其中 為區域 內每個神經元的激活值。

可以看出，匯聚層不但可以有效地減少神經元的數量，還可以使得網路對一些小的局部形態改變保持不變性，並擁有更大的感受野。

典型的匯聚層是將每個特徵映射劃分為 大小的不重疊區域，然後使用最大匯聚的方式進行下采樣。匯聚層也可以看做是一個特殊的卷積層，卷積核大小為 ，步長為 ，卷積核為 函數或 函數。過大的采樣區域會急劇減少神經元的數量，會造成過多的信息損失。

一個典型的卷積網路是由卷積層、匯聚層、全連接層交叉堆疊而成。

目前常用卷積網路結構如圖所示，一個卷積塊為連續 個卷積層和 個匯聚層（ 通常設置為 ， 為 或 ）。一個卷積網路中可以堆疊 個連續的卷積塊，然後在後面接著 個全連接層（ 的取值區間比較大，比如 或者更大； 一般為 ）。

目前，整個網路結構 趨向於使用更小的卷積核（比如 和 ）以及更深的結構（比如層數大於50） 。此外，由於卷積的操作性越來越靈活（比如不同的步長），匯聚層的作用變得也越來越小，因此目前比較流行的卷積網路中， 匯聚層的比例也逐漸降低，趨向於全卷積網路 。

在全連接前饋神經網路中，梯度主要通過每一層的誤差項 進行反向傳播，並進一步計算每層參數的梯度。在卷積神經網路中，主要有兩種不同功能的神經層：卷積層和匯聚層。而參數為卷積核以及偏置，因此 只需要計算卷積層中參數的梯度。

不失一般性，第 層為卷積層，第 層的輸入特徵映射為 ，通過卷積計算得到第 層的特徵映射凈輸入 ，第 層的第 個特徵映射凈輸入

由 得：

同理可得，損失函數關於第 層的第 個偏置 的偏導數為：

在卷積網路中，每層參數的梯度依賴其所在層的誤差項 。

卷積層和匯聚層中，誤差項的計算有所不同，因此我們分別計算其誤差項。

第 層的第 個特徵映射的誤差項 的具體推導過程如下：

其中 為第 層使用的激活函數導數， 為上采樣函數（upsampling），與匯聚層中使用的下采樣操作剛好相反。如果下采樣是最大匯聚（max pooling），誤差項 中每個值會直接傳遞到上一層對應區域中的最大值所對應的神經元，該區域中其它神經元的誤差項的都設為0。如果下采樣是平均匯聚（meanpooling），誤差項 中每個值會被平均分配到上一層對應區域中的所有神經元上。

第 層的第 個特徵映射的誤差項 的具體推導過程如下：

其中 為寬卷積。

LeNet-5雖然提出的時間比較早，但是是一個非常成功的神經網路模型。基於LeNet-5 的手寫數字識別系統在90年代被美國很多銀行使用，用來識別支票上面的手寫數字。LeNet-5 的網路結構如圖：

不計輸入層，LeNet-5共有7層，每一層的結構為：

AlexNet是第一個現代深度卷積網路模型，其首次使用了很多現代深度卷積網路的一些技術方法，比如採用了ReLU作為非線性激活函數，使用Dropout防止過擬合，使用數據增強來提高模型准確率等。AlexNet 贏得了2012 年ImageNet 圖像分類競賽的冠軍。

AlexNet的結構如圖，包括5個卷積層、3個全連接層和1個softmax層。因為網路規模超出了當時的單個GPU的內存限制，AlexNet 將網路拆為兩半，分別放在兩個GPU上，GPU間只在某些層（比如第3層）進行通訊。

AlexNet的具體結構如下：

在卷積網路中，如何設置卷積層的卷積核大小是一個十分關鍵的問題。 在Inception網路中，一個卷積層包含多個不同大小的卷積操作，稱為Inception模塊。Inception網路是由有多個inception模塊和少量的匯聚層堆疊而成 。

v1版本的Inception模塊，採用了4組平行的特徵抽取方式，分別為1×1、3× 3、5×5的卷積和3×3的最大匯聚。同時，為了提高計算效率，減少參數數量，Inception模塊在進行3×3、5×5的卷積之前、3×3的最大匯聚之後，進行一次1×1的卷積來減少特徵映射的深度。如果輸入特徵映射之間存在冗餘信息， 1×1的卷積相當於先進行一次特徵抽取 。

H. 線性層和全連接層的區別

線性層和全連接層沒有區別。線性層即全連接層。

全連接層，是每一個結點都與上一層的所有結點相連，用來把前邊提取到的特徵綜合起來。由於其全相連的特性，一般全連接層的參數也是最多的。

例如在VGG16中，第一個全連接層FC1有4096個節點，上一層POOL2是7*7*512 = 25088個節點，則該傳輸需要4096*25088個權值，需要耗很大的內存。

卷積神經網路的全連接層

在 CNN 結構中，經多個卷積層和池化層後，連接著1個或1個以上的全連接層。與 MLP 類似，全連接層中的每個神經元與其前一層的所有神經元進行全連接。全連接層可以整合卷積層或者池化層中具有類別區分性的局部信息。為了提升 CNN 網路性能，全連接層每個神經元的激勵函數一般採用 ReLU 函數。

最後一層全連接層的輸出值被傳遞給一個輸出，可以採用 softmax 邏輯回歸（softmax regression）進行分類，該層也可稱為 softmax 層（softmax layer）。對於一個具體的分類任務，選擇一個合適的損失函數是十分重要的，CNN 有幾種常用的損失函數，各自都有不同的特點。通常，CNN 的全連接層與 MLP 結構一樣，CNN 的訓練演算法也多採用BP演算法。

I. （7）卷積神經網路的基本結構

    卷積神經網路主要結構有：卷積層、池化層、和全連接層。通過堆疊這些層結構形成一個卷積神經網路。將原始圖像轉化為類別得分，其中卷積層和全連接層擁有參數，激活層和池化層沒有參數。參數更新通過反向傳播實現。

（1）卷積層

    卷積核是一系列的濾波器，用來提取某一種特徵

    我們用它來處理一個圖片，當圖像特徵與過濾器表示的特徵相似時，卷積操作可以得到一個比較大的值。

    當圖像特徵與過濾器不相似時，卷積操作可以得到一個比較小的值，實際上，卷積的結果特徵映射圖顯示的是對應卷積核所代表的特徵在原始特徵圖上的分布情況。

        每個濾波器在空間上（寬度和高度）都比較小，但是深度和輸入數據保持一致（特徵圖的通道數），當卷積核在原圖像滑動時，會生成一個二維激活圖，激活圖上每個空間位置代表原圖像對該卷積核的反應。每個卷積層，會有一整個集合的卷積核，有多少個卷積核，輸出就有多少個通道。每個卷積核生成一個特徵圖，這些特徵圖堆疊起來組成整個輸出結果。

    卷積核體現了參數共享和局部連接的模式。每個卷積核的大小代表了一個感受野的大小。

    卷積後的特徵圖大小為(W-F+2*P)/s+1 ；P 為填充 s 為步長

（2）池化層

    池化層本質上是下采樣，利用圖像局部相關性的原理（認為最大值或者均值代表了這個局部的特徵），對圖像進行子抽樣，可以減少數據處理量同時保留有用信息。這里池化有平均池化，L2範式池化，最大池化，經過實踐，最大池化的效果要好於平均池化（平均池化一般放在卷積神經網路的最後一層），最大池化有利於保存紋理信息，平均池化有利於保存背景信息。實際上（因為信息損失的原因）我們可以看到，通過在卷積時使用更大的步長也可以縮小特徵映射的尺寸，並不一定要用池化，有很多人不建議使用池化層。32*32在5*5卷積核步長為1下可得到28*28。

    池化操作可以逐漸降低數據體的空間尺寸，這樣的話就能減少網路中參數的數量，使得計算資源耗費變少，也能有效控制過擬合。

（3）全連接層

    通過全連接層將特徵圖轉化為類別輸出。全連接層不止一層，在這個過程中為了防止過擬合會引入DropOut。最新研究表明，在進入全連接層之前，使用全局平均池化可以有效降低過擬合。

（4）批歸一化BN——Batch Normal

    隨著神經網路訓練的進行，每個隱層的參數變化使得後一層的輸入發生變化，從而每一批的訓練數據的分布也隨之改變，致使網路在每次迭代中都需要擬合不同的數據分布，增大訓練復雜度和過擬合的風險，只能採用較小的學習率去解決。

    通常卷積層後就是BN層加Relu。BN已經是卷積神經網路中的一個標准技術。標准化的過程是可微的，因此可以將BN應用到每一層中做前向和反向傳播，同在接在卷積或者全連接層後，非線性層前。它對於不好的初始化有很強的魯棒性，同時可以加快網路收斂速度。

（5）DropOut

    Dropout對於某一層神經元，通過定義的概率來隨機刪除一些神經元，同時保持輸入層與輸出層神經元的個數不變，然後按照神經網路的學習方法進行參數更新，下一次迭代中，重新隨機刪除一些神經元，直至訓練結束。

（6）softmax層

    Softmax層也不屬於CNN中單獨的層，一般要用CNN做分類的話，我們習慣的方式是將神經元的輸出變成概率的形式，Softmax就是做這個的：  。顯然Softmax層所有的輸出相加為1，按照這個概率的大小確定到底屬於哪一類。

J. 神經網路：卷積神經網路（CNN）

神經網路 最早是由心理學家和神經學家提出的，旨在尋求開發和測試神經的計算模擬。

粗略地說， 神經網路 是一組連接的 輸入/輸出單元 ，其中每個連接都與一個 權 相關聯。在學習階段，通過調整權值，使得神經網路的預測准確性逐步提高。由於單元之間的連接，神經網路學習又稱 連接者學習。

神經網路是以模擬人腦神經元的數學模型為基礎而建立的，它由一系列神經元組成，單元之間彼此連接。從信息處理角度看，神經元可以看作是一個多輸入單輸出的信息處理單元，根據神經元的特性和功能，可以把神經元抽象成一個簡單的數學模型。

神經網路有三個要素： 拓撲結構、連接方式、學習規則

神經網路的拓撲結構 ：神經網路的單元通常按照層次排列，根據網路的層次數，可以將神經網路分為單層神經網路、兩層神經網路、三層神經網路等。結構簡單的神經網路，在學習時收斂的速度快，但准確度低。

神經網路的層數和每層的單元數由問題的復雜程度而定。問題越復雜，神經網路的層數就越多。例如，兩層神經網路常用來解決線性問題，而多層網路就可以解決多元非線性問題

神經網路的連接 ：包括層次之間的連接和每一層內部的連接，連接的強度用權來表示。

根據層次之間的連接方式，分為：

1）前饋式網路：連接是單向的，上層單元的輸出是下層單元的輸入，如反向傳播網路，Kohonen網路

2）反饋式網路：除了單項的連接外，還把最後一層單元的輸出作為第一層單元的輸入，如Hopfield網路

根據連接的范圍，分為：

1）全連接神經網路：每個單元和相鄰層上的所有單元相連

2）局部連接網路：每個單元只和相鄰層上的部分單元相連

神經網路的學習

根據學習方法分：

感知器：有監督的學習方法，訓練樣本的類別是已知的，並在學習的過程中指導模型的訓練

認知器：無監督的學習方法，訓練樣本類別未知，各單元通過競爭學習。

根據學習時間分：

離線網路：學習過程和使用過程是獨立的

在線網路：學習過程和使用過程是同時進行的

根據學習規則分：

相關學習網路：根據連接間的激活水平改變權系數

糾錯學習網路：根據輸出單元的外部反饋改變權系數

自組織學習網路：對輸入進行自適應地學習

摘自《數學之美》對人工神經網路的通俗理解：

神經網路種類很多，常用的有如下四種：

1）Hopfield網路，典型的反饋網路，結構單層，有相同的單元組成

2）反向傳播網路，前饋網路，結構多層，採用最小均方差的糾錯學習規則，常用於語言識別和分類等問題

3）Kohonen網路：典型的自組織網路，由輸入層和輸出層構成，全連接

4）ART網路：自組織網路

深度神經網路：

Convolutional Neural Networks(CNN)卷積神經網路

Recurrent neural Network(RNN)循環神經網路

Deep Belief Networks(DBN)深度信念網路

深度學習是指多層神經網路上運用各種機器學習演算法解決圖像，文本等各種問題的演算法集合。深度學習從大類上可以歸入神經網路，不過在具體實現上有許多變化。

深度學習的核心是特徵學習，旨在通過分層網路獲取分層次的特徵信息，從而解決以往需要人工設計特徵的重要難題。

Machine Learning vs. Deep Learning 

神經網路（主要是感知器）經常用於 分類

神經網路的分類知識體現在網路連接上，被隱式地存儲在連接的權值中。

神經網路的學習就是通過迭代演算法，對權值逐步修改的優化過程，學習的目標就是通過改變權值使訓練集的樣本都能被正確分類。

神經網路特別適用於下列情況的分類問題：

1) 數據量比較小，缺少足夠的樣本建立模型

2) 數據的結構難以用傳統的統計方法來描述

3) 分類模型難以表示為傳統的統計模型

缺點：

1) 需要很長的訓練時間，因而對於有足夠長訓練時間的應用更合適。

2) 需要大量的參數，這些通常主要靠經驗確定，如網路拓撲或「結構」。

3)  可解釋性差 。該特點使得神經網路在數據挖掘的初期並不看好。

優點：

1) 分類的准確度高

2)並行分布處理能力強

3)分布存儲及學習能力高

4)對噪音數據有很強的魯棒性和容錯能力

最流行的基於神經網路的分類演算法是80年代提出的 後向傳播演算法 。後向傳播演算法在多路前饋神經網路上學習。 

定義網路拓撲

在開始訓練之前，用戶必須說明輸入層的單元數、隱藏層數（如果多於一層）、每一隱藏層的單元數和輸出層的單元數，以確定網路拓撲。

對訓練樣本中每個屬性的值進行規格化將有助於加快學習過程。通常，對輸入值規格化，使得它們落入0.0和1.0之間。

離散值屬性可以重新編碼，使得每個域值一個輸入單元。例如，如果屬性A的定義域為(a0,a1,a2)，則可以分配三個輸入單元表示A。即，我們可以用I0 ,I1 ,I2作為輸入單元。每個單元初始化為0。如果A = a0，則I0置為1；如果A = a1，I1置1；如此下去。

一個輸出單元可以用來表示兩個類（值1代表一個類，而值0代表另一個）。如果多於兩個類，則每個類使用一個輸出單元。

隱藏層單元數設多少個「最好」 ，沒有明確的規則。

網路設計是一個實驗過程，並可能影響准確性。權的初值也可能影響准確性。如果某個經過訓練的網路的准確率太低，則通常需要採用不同的網路拓撲或使用不同的初始權值，重復進行訓練。

後向傳播演算法學習過程：

迭代地處理一組訓練樣本，將每個樣本的網路預測與實際的類標號比較。

每次迭代後，修改權值，使得網路預測和實際類之間的均方差最小。

這種修改「後向」進行。即，由輸出層，經由每個隱藏層，到第一個隱藏層（因此稱作後向傳播）。盡管不能保證，一般地，權將最終收斂，學習過程停止。

演算法終止條件：訓練集中被正確分類的樣本達到一定的比例，或者權系數趨近穩定。

後向傳播演算法分為如下幾步：

1) 初始化權

網路的權通常被初始化為很小的隨機數（例如，范圍從-1.0到1.0，或從-0.5到0.5）。

每個單元都設有一個偏置（bias），偏置也被初始化為小隨機數。

2) 向前傳播輸入

對於每一個樣本X，重復下面兩步：

向前傳播輸入，向後傳播誤差

計算各層每個單元的輸入和輸出。輸入層：輸出=輸入=樣本X的屬性；即，對於單元j，Oj = Ij = Xj。隱藏層和輸出層：輸入=前一層的輸出的線性組合,即，對於單元j， Ij =wij Oi + θj，輸出=

3) 向後傳播誤差

計算各層每個單元的誤差。

輸出層單元j，誤差：

Oj是單元j的實際輸出，而Tj是j的真正輸出。

隱藏層單元j，誤差：

wjk是由j到下一層中單元k的連接的權，Errk是單元k的誤差

更新 權 和 偏差 ，以反映傳播的誤差。

權由下式更新：

 其中，△wij是權wij的改變。l是學習率，通常取0和1之間的值。

 偏置由下式更新：

  其中，△θj是偏置θj的改變。

Example

人類視覺原理：

深度學習的許多研究成果，離不開對大腦認知原理的研究，尤其是視覺原理的研究。1981 年的諾貝爾醫學獎，頒發給了 David Hubel（出生於加拿大的美國神經生物學家） 和Torsten Wiesel，以及Roger Sperry。前兩位的主要貢獻，是「發現了視覺系統的信息處理」， 可視皮層是分級的 。

人類的視覺原理如下：從原始信號攝入開始（瞳孔攝入像素Pixels），接著做初步處理（大腦皮層某些細胞發現邊緣和方向），然後抽象（大腦判定，眼前的物體的形狀，是圓形的），然後進一步抽象（大腦進一步判定該物體是只氣球）。

對於不同的物體，人類視覺也是通過這樣逐層分級，來進行認知的：

在最底層特徵基本上是類似的，就是各種邊緣，越往上，越能提取出此類物體的一些特徵（輪子、眼睛、軀乾等），到最上層，不同的高級特徵最終組合成相應的圖像，從而能夠讓人類准確的區分不同的物體。

可以很自然的想到：可以不可以模仿人類大腦的這個特點，構造多層的神經網路，較低層的識別初級的圖像特徵，若干底層特徵組成更上一層特徵，最終通過多個層級的組合，最終在頂層做出分類呢？答案是肯定的，這也是許多深度學習演算法（包括CNN）的靈感來源。

卷積神經網路是一種多層神經網路，擅長處理圖像特別是大圖像的相關機器學習問題。卷積網路通過一系列方法，成功將數據量龐大的圖像識別問題不斷降維，最終使其能夠被訓練。

CNN最早由Yann LeCun提出並應用在手寫字體識別上。LeCun提出的網路稱為LeNet，其網路結構如下：

這是一個最典型的卷積網路，由 卷積層、池化層、全連接層 組成。其中卷積層與池化層配合，組成多個卷積組，逐層提取特徵，最終通過若干個全連接層完成分類。

CNN通過卷積來模擬特徵區分，並且通過卷積的權值共享及池化，來降低網路參數的數量級，最後通過傳統神經網路完成分類等任務。

降低參數量級：如果使用傳統神經網路方式，對一張圖片進行分類，那麼，把圖片的每個像素都連接到隱藏層節點上，對於一張1000x1000像素的圖片，如果有1M隱藏層單元，一共有10^12個參數，這顯然是不能接受的。

但是在CNN里，可以大大減少參數個數，基於以下兩個假設：

1）最底層特徵都是局部性的，也就是說，用10x10這樣大小的過濾器就能表示邊緣等底層特徵

2）圖像上不同小片段，以及不同圖像上的小片段的特徵是類似的，也就是說，能用同樣的一組分類器來描述各種各樣不同的圖像

基於以上兩個假設，就能把第一層網路結構簡化

用100個10x10的小過濾器，就能夠描述整幅圖片上的底層特徵。

卷積運算的定義如下圖所示：

如上圖所示，一個5x5的圖像，用一個3x3的 卷積核 ：

   101

   010

   101

來對圖像進行卷積操作（可以理解為有一個滑動窗口，把卷積核與對應的圖像像素做乘積然後求和），得到了3x3的卷積結果。

這個過程可以理解為使用一個過濾器（卷積核）來過濾圖像的各個小區域，從而得到這些小區域的特徵值。在實際訓練過程中， 卷積核的值是在學習過程中學到的。

在具體應用中，往往有多個卷積核，可以認為， 每個卷積核代表了一種圖像模式 ，如果某個圖像塊與此卷積核卷積出的值大，則認為此圖像塊十分接近於此卷積核。如果設計了6個卷積核，可以理解為這個圖像上有6種底層紋理模式，也就是用6種基礎模式就能描繪出一副圖像。以下就是24種不同的卷積核的示例：

池化 的過程如下圖所示：

可以看到，原始圖片是20x20的，對其進行采樣，采樣窗口為10x10，最終將其采樣成為一個2x2大小的特徵圖。

之所以這么做，是因為即使做完了卷積，圖像仍然很大（因為卷積核比較小），所以為了降低數據維度，就進行采樣。

即使減少了許多數據，特徵的統計屬性仍能夠描述圖像，而且由於降低了數據維度，有效地避免了過擬合。

在實際應用中，分為最大值采樣（Max-Pooling）與平均值采樣（Mean-Pooling）。

LeNet網路結構：

注意，上圖中S2與C3的連接方式並不是全連接，而是部分連接。最後，通過全連接層C5、F6得到10個輸出，對應10個數字的概率。

卷積神經網路的訓練過程與傳統神經網路類似，也是參照了反向傳播演算法

第一階段，向前傳播階段：

a）從樣本集中取一個樣本(X,Yp)，將X輸入網路；

b）計算相應的實際輸出Op

第二階段，向後傳播階段

a）計算實際輸出Op與相應的理想輸出Yp的差；

b）按極小化誤差的方法反向傳播調整權矩陣。