bp網路屬於全連接網路嗎

A. 神經網路BP模型

一、BP模型概述

誤差逆傳播(Error Back-Propagation)神經網路模型簡稱為BP(Back-Propagation)網路模型。

Pall Werbas博士於1974年在他的博士論文中提出了誤差逆傳播學習演算法。完整提出並被廣泛接受誤差逆傳播學習演算法的是以Rumelhart和McCelland為首的科學家小組。他們在1986年出版「Parallel Distributed Processing，Explorations in the Microstructure of Cognition」(《並行分布信息處理》)一書中，對誤差逆傳播學習演算法進行了詳盡的分析與介紹，並對這一演算法的潛在能力進行了深入探討。

BP網路是一種具有3層或3層以上的階層型神經網路。上、下層之間各神經元實現全連接，即下層的每一個神經元與上層的每一個神經元都實現權連接，而每一層各神經元之間無連接。網路按有教師示教的方式進行學習，當一對學習模式提供給網路後，神經元的激活值從輸入層經各隱含層向輸出層傳播，在輸出層的各神經元獲得網路的輸入響應。在這之後，按減小期望輸出與實際輸出的誤差的方向，從輸入層經各隱含層逐層修正各連接權，最後回到輸入層，故得名「誤差逆傳播學習演算法」。隨著這種誤差逆傳播修正的不斷進行，網路對輸入模式響應的正確率也不斷提高。

BP網路主要應用於以下幾個方面：

1)函數逼近：用輸入模式與相應的期望輸出模式學習一個網路逼近一個函數；

2)模式識別：用一個特定的期望輸出模式將它與輸入模式聯系起來；

3)分類：把輸入模式以所定義的合適方式進行分類；

4)數據壓縮：減少輸出矢量的維數以便於傳輸或存儲。

在人工神經網路的實際應用中，80%～90%的人工神經網路模型採用BP網路或它的變化形式，它也是前向網路的核心部分，體現了人工神經網路最精華的部分。

二、BP模型原理

下面以三層BP網路為例，說明學習和應用的原理。

1.數據定義

P對學習模式(x_p，d_p)，p=1，2，…，P；

輸入模式矩陣X[N][P]=(x₁，x₂，…，x_P)；

目標模式矩陣d[M][P]=(d₁，d₂，…，d_P)。

三層BP網路結構

輸入層神經元節點數S0=N，i=1，2，…，S0；

隱含層神經元節點數S1，j=1，2，…，S1；

神經元激活函數f1[S1]；

權值矩陣W1[S1][S0]；

偏差向量b1[S1]。

輸出層神經元節點數S2=M，k=1，2，…，S2；

神經元激活函數f2[S2]；

權值矩陣W2[S2][S1]；

偏差向量b2[S2]。

學習參數

目標誤差ϵ；

初始權更新值Δ₀；

最大權更新值Δ_max；

權更新值增大倍數η⁺；

權更新值減小倍數η^-。

2.誤差函數定義

對第p個輸入模式的誤差的計算公式為

中國礦產資源評價新技術與評價新模型

y2_kp為BP網的計算輸出。

3.BP網路學習公式推導

BP網路學習公式推導的指導思想是，對網路的權值W、偏差b修正，使誤差函數沿負梯度方向下降，直到網路輸出誤差精度達到目標精度要求，學習結束。

各層輸出計算公式

輸入層

y0_i=x_i，i=1，2，…，S0；

隱含層

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y1_j=f1(z1_j)，

j=1，2，…，S1；

輸出層

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y2_k=f2(z2_k)，

k=1，2，…，S2。

輸出節點的誤差公式

中國礦產資源評價新技術與評價新模型

對輸出層節點的梯度公式推導

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E是多個y2_m的函數，但只有一個y2_k與w_kj有關，各y2_m間相互獨立。

其中

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則

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設輸出層節點誤差為

δ2_k=(d_k-y2_k)·f2′(z2_k)，

則

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同理可得

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對隱含層節點的梯度公式推導

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E是多個y2_k的函數，針對某一個w1_ji，對應一個y1_j，它與所有的y2_k有關。因此，上式只存在對k的求和，其中

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則

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設隱含層節點誤差為

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則

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同理可得

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4.採用彈性BP演算法(RPROP)計算權值W、偏差b的修正值ΔW，Δb

1993年德國 Martin Riedmiller和Heinrich Braun 在他們的論文「A Direct Adaptive Method for Faster Backpropagation Learning：The RPROP Algorithm」中，提出Resilient Backpropagation演算法——彈性BP演算法(RPROP)。這種方法試圖消除梯度的大小對權步的有害影響，因此，只有梯度的符號被認為表示權更新的方向。

權改變的大小僅僅由權專門的「更新值」

確定

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其中

表示在模式集的所有模式(批學習)上求和的梯度信息，(t)表示t時刻或第t次學習。

權更新遵循規則：如果導數是正(增加誤差)，這個權由它的更新值減少。如果導數是負，更新值增加。

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RPROP演算法是根據局部梯度信息實現權步的直接修改。對於每個權，我們引入它的

各自的更新值

，它獨自確定權更新值的大小。這是基於符號相關的自適應過程，它基

於在誤差函數E上的局部梯度信息，按照以下的學習規則更新

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其中0＜η^-＜1＜η⁺。

在每個時刻，如果目標函數的梯度改變它的符號，它表示最後的更新太大，更新值

應由權更新值減小倍數因子η^-得到減少；如果目標函數的梯度保持它的符號，更新值應由權更新值增大倍數因子η⁺得到增大。

為了減少自由地可調參數的數目，增大倍數因子η⁺和減小倍數因子η^–被設置到固定值

η⁺=1.2，

η^-=0.5，

這兩個值在大量的實踐中得到了很好的效果。

RPROP演算法採用了兩個參數：初始權更新值Δ₀和最大權更新值Δ_max

當學習開始時，所有的更新值被設置為初始值Δ₀，因為它直接確定了前面權步的大小，它應該按照權自身的初值進行選擇，例如，Δ₀=0.1(默認設置)。

為了使權不至於變得太大，設置最大權更新值限制Δ_max，默認上界設置為

Δ_max=50.0。

在很多實驗中，發現通過設置最大權更新值Δ_max到相當小的值，例如

Δ_max=1.0。

我們可能達到誤差減小的平滑性能。

5.計算修正權值W、偏差b

第t次學習，權值W、偏差b的的修正公式

W^(t)=W^(t-1)+ΔW^(t)，

b^(t)=b^(t-1)+Δb^(t)，

其中，t為學習次數。

6.BP網路學習成功結束條件每次學習累積誤差平方和

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每次學習平均誤差

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當平均誤差MSE＜ε，BP網路學習成功結束。

7.BP網路應用預測

在應用BP網路時，提供網路輸入給輸入層，應用給定的BP網路及BP網路學習得到的權值W、偏差b，網路輸入經過從輸入層經各隱含層向輸出層的「順傳播」過程，計算出BP網的預測輸出。

8.神經元激活函數f

線性函數

f(x)=x，

f′(x)=1，

f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍(-∞，+∞)。

一般用於輸出層，可使網路輸出任何值。

S型函數S(x)

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f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍(0，1)。

f′(x)=f(x)[1-f(x)]，

f′(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍(0，

]。

一般用於隱含層，可使范圍(-∞，+∞)的輸入，變成(0，1)的網路輸出，對較大的輸入，放大系數較小；而對較小的輸入，放大系數較大，所以可用來處理和逼近非線性的輸入/輸出關系。

在用於模式識別時，可用於輸出層，產生逼近於0或1的二值輸出。

雙曲正切S型函數

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f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍(-1，1)。

f′(x)=1-f(x)·f(x)，

f′(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍(0，1]。

一般用於隱含層，可使范圍(-∞，+∞)的輸入，變成(-1，1)的網路輸出，對較大的輸入，放大系數較小；而對較小的輸入，放大系數較大，所以可用來處理和逼近非線性的輸入/輸出關系。

階梯函數

類型1

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f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍{0，1}。

f′(x)=0。

類型2

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f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍{-1，1}。

f′(x)=0。

斜坡函數

類型1

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f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍[0，1]。

中國礦產資源評價新技術與評價新模型

f′(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍{0，1}。

類型2

中國礦產資源評價新技術與評價新模型

f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍[-1，1]。

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f′(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍{0，1}。

三、總體演算法

1.三層BP網路(含輸入層，隱含層，輸出層)權值W、偏差b初始化總體演算法

(1)輸入參數X[N][P]，S₀，S₁，f₁[S₁]，S₂，f₂[S₂]；

(2)計算輸入模式X[N][P]各個變數的最大值，最小值矩陣 X_max[N]，X_min[N]；

(3)隱含層的權值W₁，偏差b₁初始化。

情形1：隱含層激活函數f( )都是雙曲正切S型函數

1)計算輸入模式X[N][P]的每個變數的范圍向量X_rng[N]；

2)計算輸入模式X的每個變數的范圍均值向量X_mid[N]；

3)計算W，b的幅度因子W_mag；

4)產生[-1，1]之間均勻分布的S₀×1維隨機數矩陣R_and[S₁]；

5)產生均值為0，方差為1的正態分布的S₁×S₀維隨機數矩陣Randnr[S₁][S₀]，隨機數范圍大致在[-1，1]；

6)計算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)計算隱含層的初始化權值W₁[S₁][S₀]；

8)計算隱含層的初始化偏差b₁[S₁]；

9))輸出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

情形2：隱含層激活函數f( )都是S型函數

1)計算輸入模式X[N][P]的每個變數的范圍向量X_rng[N]；

2)計算輸入模式X的每個變數的范圍均值向量X_mid[N]；

3)計算W，b的幅度因子W_mag；

4)產生[-1，1]之間均勻分布的S₀×1維隨機數矩陣R_and[S₁]；

5)產生均值為0，方差為1的正態分布的S₁×S₀維隨機數矩陣R_andnr[S₁][S₀]，隨機數范圍大致在[-1，1]；

6)計算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)計算隱含層的初始化權值W₁[S₁][S₀]；

8)計算隱含層的初始化偏差b₁[S₁]；

9)輸出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

情形3：隱含層激活函數f( )為其他函數的情形

1)計算輸入模式X[N][P]的每個變數的范圍向量X_rng[N]；

2)計算輸入模式X的每個變數的范圍均值向量X_mid[N]；

3)計算W，b的幅度因子W_mag；

4)產生[-1，1]之間均勻分布的S₀×1維隨機數矩陣R_and[S₁]；

5)產生均值為0，方差為1的正態分布的S₁×S₀維隨機數矩陣R_andnr[S₁][S₀]，隨機數范圍大致在[-1，1]；

6)計算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)計算隱含層的初始化權值W₁[S₁][S₀]；

8)計算隱含層的初始化偏差b₁[S₁]；

9)輸出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

(4)輸出層的權值W₂，偏差b₂初始化

1)產生[-1，1]之間均勻分布的S₂×S₁維隨機數矩陣W₂[S₂][S₁]；

2)產生[-1，1]之間均勻分布的S₂×1維隨機數矩陣b₂[S₂]；

3)輸出W₂[S₂][S₁]，b₂[S₂]。

2.應用彈性BP演算法(RPROP)學習三層BP網路(含輸入層，隱含層，輸出層)權值W、偏差b總體演算法

函數：Train3BP_RPROP(S₀，X，P，S₁，W₁，b₁，f₁，S₂，W₂，b₂，f₂，d，TP)

(1)輸入參數

P對模式(x_p，d_p)，p=1，2，…，P；

三層BP網路結構；

學習參數。

(2)學習初始化

1)

；

2)各層W，b的梯度值

，

初始化為零矩陣。

(3)由輸入模式X求第一次學習各層輸出y₀，y₁，y₂及第一次學習平均誤差MSE

(4)進入學習循環

epoch=1

(5)判斷每次學習誤差是否達到目標誤差要求

如果MSE＜ϵ，

則，跳出epoch循環，

轉到(12)。

(6)保存第epoch-1次學習產生的各層W，b的梯度值

，

(7)求第epoch次學習各層W，b的梯度值

，

1)求各層誤差反向傳播值δ；

2)求第p次各層W，b的梯度值

，

；

3)求p=1，2，…，P次模式產生的W，b的梯度值

，

的累加。

(8)如果epoch=1，則將第epoch-1次學習的各層W，b的梯度值

，

設為第epoch次學習產生的各層W，b的梯度值

，

。

(9)求各層W，b的更新

1)求權更新值Δ_ij更新；

2)求W，b的權更新值

，

；

3)求第epoch次學習修正後的各層W，b。

(10)用修正後各層W、b，由X求第epoch次學習各層輸出y₀，y₁，y₂及第epoch次學習誤差MSE

(11)epoch=epoch+1，

如果epoch≤MAX_EPOCH，轉到(5)；

否則，轉到(12)。

(12)輸出處理

1)如果MSE＜ε，

則學習達到目標誤差要求，輸出W₁，b₁，W₂，b₂。

2)如果MSE≥ε，

則學習沒有達到目標誤差要求，再次學習。

(13)結束

3.三層BP網路(含輸入層，隱含層，輸出層)預測總體演算法

首先應用Train3lBP_RPROP( )學習三層BP網路(含輸入層，隱含層，輸出層)權值W、偏差b，然後應用三層BP網路(含輸入層，隱含層，輸出層)預測。

函數：Simu3lBP( )。

1)輸入參數：

P個需預測的輸入數據向量x_p，p=1，2，…，P；

三層BP網路結構；

學習得到的各層權值W、偏差b。

2)計算P個需預測的輸入數據向量x_p(p=1，2，…，P)的網路輸出 y₂[S₂][P]，輸出預測結果y₂[S₂][P]。

四、總體演算法流程圖

BP網路總體演算法流程圖見附圖2。

五、數據流圖

BP網數據流圖見附圖1。

六、實例

實例一 全國銅礦化探異常數據BP 模型分類

1.全國銅礦化探異常數據准備

在全國銅礦化探數據上用穩健統計學方法選取銅異常下限值33.1，生成全國銅礦化探異常數據。

2.模型數據准備

根據全國銅礦化探異常數據，選取7類33個礦點的化探數據作為模型數據。這7類分別是岩漿岩型銅礦、斑岩型銅礦、矽卡岩型、海相火山型銅礦、陸相火山型銅礦、受變質型銅礦、海相沉積型銅礦，另添加了一類沒有銅異常的模型(表8-1)。

3.測試數據准備

全國化探數據作為測試數據集。

4.BP網路結構

隱層數2，輸入層到輸出層向量維數分別為14，9、5、1。學習率設置為0.9，系統誤差1e-5。沒有動量項。

表8-1 模型數據表

續表

5.計算結果圖

如圖8-2、圖8-3。

圖8-2

圖8-3 全國銅礦礦床類型BP模型分類示意圖

實例二 全國金礦礦石量品位數據BP 模型分類

1.模型數據准備

根據全國金礦儲量品位數據，選取4類34個礦床數據作為模型數據，這4類分別是綠岩型金礦、與中酸性浸入岩有關的熱液型金礦、微細浸染型型金礦、火山熱液型金礦(表8-2)。

2.測試數據准備

模型樣本點和部分金礦點金屬量、礦石量、品位數據作為測試數據集。

3.BP網路結構

輸入層為三維，隱層1層，隱層為三維，輸出層為四維，學習率設置為0.8，系統誤差1e-4，迭代次數5000。

表8-2 模型數據

4.計算結果

結果見表8-3、8-4。

表8-3 訓練學習結果

表8-4 預測結果(部分)

續表

B. 全連接神經網路和傳統bp網的區別

?
一個是表示各層連接方式，一個表示訓練方式。沒有什麼可比性。

C. 什麼是BP神經網路

BP網路是一種神經網路學習演算法。其由輸入層、中間層、輸出層組成的階層型神經網路，中間層可擴展為多層。相鄰層之間各神經元進行全連接，而每層各神經元之間無連接，網路按有教師示教的方式進行學習，當一對學習模式提供給網路後，各神經元獲得網路的輸入響應產生連接權值（Weight）。然後按減小希望輸出與實際輸出誤差的方向，從輸出層經各中間層逐層修正各連接權，回到輸入層。此過程反復交替進行，直至網路的全局誤差趨向給定的極小值，即完成學習的過程。
找個神經網路軟體，如NeuroSolutions或邁實神經網路軟體，邊操作邊學習，會更好的理解神經網路。

D. 前饋神經網路、BP神經網路、卷積神經網路的區別與聯系

一、計算方法不同

1、前饋神經網路：一種最簡單的神經網路，各神經元分層排列。每個神經元只與前一層的神經元相連。接收前一層的輸出，並輸出給下一層．各層間沒有反饋。

2、BP神經網路：是一種按照誤差逆向傳播演算法訓練的多層前饋神經網路。

3、卷積神經網路：包含卷積計算且具有深度結構的前饋神經網路。

二、用途不同

1、前饋神經網路：主要應用包括感知器網路、BP網路和RBF網路。

2、BP神經網路：

（1）函數逼近：用輸入向量和相應的輸出向量訓練一個網路逼近一個函數；

（2）模式識別：用一個待定的輸出向量將它與輸入向量聯系起來；

（3）分類：把輸入向量所定義的合適方式進行分類；

（4）數據壓縮：減少輸出向量維數以便於傳輸或存儲。

3、卷積神經網路：可應用於圖像識別、物體識別等計算機視覺、自然語言處理、物理學和遙感科學等領域。

聯系：

BP神經網路和卷積神經網路都屬於前饋神經網路，三者都屬於人工神經網路。因此，三者原理和結構相同。

三、作用不同

1、前饋神經網路：結構簡單，應用廣泛，能夠以任意精度逼近任意連續函數及平方可積函數．而且可以精確實現任意有限訓練樣本集。

2、BP神經網路：具有很強的非線性映射能力和柔性的網路結構。網路的中間層數、各層的神經元個數可根據具體情況任意設定，並且隨著結構的差異其性能也有所不同。

3、卷積神經網路：具有表徵學習能力，能夠按其階層結構對輸入信息進行平移不變分類。

(4)bp網路屬於全連接網路嗎擴展閱讀：

1、BP神經網路優劣勢

BP神經網路無論在網路理論還是在性能方面已比較成熟。其突出優點就是具有很強的非線性映射能力和柔性的網路結構。網路的中間層數、各層的神經元個數可根據具體情況任意設定，並且隨著結構的差異其性能也有所不同。但是BP神經網路也存在以下的一些主要缺陷。

①學習速度慢，即使是一個簡單的問題，一般也需要幾百次甚至上千次的學習才能收斂。

②容易陷入局部極小值。

③網路層數、神經元個數的選擇沒有相應的理論指導。

④網路推廣能力有限。

2、人工神經網路的特點和優越性，主要表現在以下三個方面

①具有自學習功能。例如實現圖像識別時，只在先把許多不同的圖像樣板和對應的應識別的結果輸入人工神經網路，網路就會通過自學習功能，慢慢學會識別類似的圖像。自學習功能對於預測有特別重要的意義。預期未來的人工神經網路計算機將為人類提供經濟預測、效益預測，其應用前途是很遠大的。

②具有聯想存儲功能。用人工神經網路的反饋網路就可以實現這種聯想。

③具有高速尋找優化解的能力。尋找一個復雜問題的優化解，往往需要很大的計算量，利用一個針對某問題而設計的反饋型人工神經網路，發揮計算機的高速運算能力，可能很快找到優化解。

E. 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。

F. 卷積神經網路CNN在圖像識別問題應用綜述（20191219）

   這兩天在公司做PM實習，主要是自學一些CV的知識，以了解產品在解決一些在圖像識別、圖像搜索方面的問題，學習的主要方式是在知網檢索了6.7篇國內近3年計算機視覺和物體識別的碩博士論文。由於時間關系，後面還會繼續更新圖片相似度計算（以圖搜圖）等方面的學習成果
   將這兩天的學習成果在這里總結一下。你將會看到計算機視覺在解決特定物體識別問題（主要是卷積神經網路CNNs）的基礎過程和原理，但這里不會深入到技術的實現層面。

  計算機視覺（Computer vision）是一門研究如何使機器「看」的科學，更進一步的說，就是指用攝影機和計算機代替人眼對目標進行識別、跟蹤和測量等機器視覺，並進一步做圖像處理，用計算機處理成為更適合人眼觀察或傳送給儀器檢測的圖像。
                                         ————維基網路
  通常而言，計算機視覺的研究包括三個層次：
（1）底層特徵的研究：
  這一層次的研究主要聚焦如何高效提取出圖像對象具有判別性能的特徵，具體的研究內容通常包括：物體識別、字元識別等
（2）中層語義特徵的研究：
   該層次的研究在於在識別出對象的基礎上，對其位置、邊緣等信息能夠准確區分。現在比較熱門的：圖像分割；語義分割；場景標注等，都屬於該領域的范疇
（3）高層語義理解：
  這一層次建立在前兩層的基礎上，其核心在於「理解」一詞。 目標在於對復雜圖像中的各個對象完成語義級別的理解。這一層次的研究常常應用於：場景識別、圖像摘要生成及圖像語義回答等。
  而我研究的問題主要隸屬於底層特徵和中層語義特徵研究中的物體識別和場景標注問題。

人類的視覺工作模式是這樣的：
   首先，我們大腦中的神經元接收到大量的信息微粒，但我們的大腦還並不能處理它們。
   於是接著神經元與神經元之間交互將大量的微粒信息整合成一條又一條的線。
   接著，無數條線又整合成一個個輪廓。
   最後多個輪廓累加終於聚合我們現在眼前看到的樣子。
  計算機科學受到神經科學的啟發，也採用了類似的工作方式。具體而言，圖像識別問題一般都遵循下面幾個流程

  （1）獲取底層信息。獲取充分且清潔的高質量數據往往是圖像識別工作能否成功的關鍵所在
  （2）數據預處理工作，在圖像識別領域主要包括四個方面的技術：去噪處理（提升信噪比）、圖像增強和圖像修復（主要針對不夠清晰或有破損缺失的圖像）；歸一化處理（一方面是為了減少開銷、提高演算法的性能，另一方面則是為了能成功使用深度學習等演算法，這類演算法必須使用歸一化數據）。
  （3）特徵提取，這一點是該領域的核心，也是本文的核心。圖像識別的基礎是能夠提取出足夠高質量，能體現圖像獨特性和區分度的特徵。
  過去在10年代之前我們主要還是更多的使用傳統的人工特徵提取方法，如PCALCA等來提取一些人工設計的特徵，主要的方法有（HOG、LBP以及十分著名的SIFT演算法）。但是這些方法普遍存在（a）一般基於圖像的一些提層特徵信息（如色彩、紋理等）難以表達復雜的圖像高層語義，故泛化能力普遍比較弱。（b）這些方法一般都針對特定領域的特定應用設計，泛化能力和遷移的能力大多比較弱。
  另外一種思路是使用BP方法，但是畢竟BP方法是一個全連接的神經網路。這以為這我們非常容易發生過擬合問題（每個元素都要負責底層的所有參數），另外也不能根據樣本對訓練過程進行優化，實在是費時又費力。
  因此，一些研究者開始嘗試把諸如神經網路、深度學習等方法運用到特徵提取的過程中，以十幾年前深度學習方法在業界最重要的比賽ImageNet中第一次戰勝了SIFT演算法為分界線，由於其使用權重共享和特徵降采樣，充分利用了數據的特徵。幾乎每次比賽的冠軍和主流都被深度學習演算法及其各自改進型所佔領。其中，目前使用較多又最為主流的是CNN演算法，在第四部分主要也研究CNN方法的機理。

  上圖是一個簡易的神經網路，只有一層隱含層，而且是全連接的（如圖，上一層的每個節點都要對下一層的每個節點負責。）具體神經元與神經元的作用過程可見下圖。

  在諸多傳統的神經網路中，BP演算法可能是性能最好、應用最廣泛的演算法之一了。其核心思想是：導入訓練樣本、計算期望值和實際值之間的差值，不斷地調整權重，使得誤差減少的規定值的范圍內。其具體過程如下圖：

  一般來說，機器學習又分成淺層學習和深度學習。傳統的機器學習演算法，如SVM、貝葉斯、神經網路等都屬於淺層模型，其特點是只有一個隱含層。邏輯簡單易懂、但是其存在理論上缺乏深度、訓練時間較長、參數很大程度上依賴經驗和運氣等問題。
  如果是有多個隱含層的多層神經網路（一般定義為大於5層），那麼我們將把這個模型稱為深度學習，其往往也和分層訓練配套使用。這也是目前AI最火的領域之一了。如果是淺層模型的問題在於對一個復雜函數的表示能力不夠，特別是在復雜問題分類情況上容易出現分類不足的弊端，深度網路的優勢則在於其多層的架構可以分層表示邏輯，這樣就可以用簡單的方法表示出復雜的問題，一個簡單的例子是：
  如果我們想計算sin(cos(log(exp(x))))，
  那麼深度學習則可分層表示為exp(x)—>log(x)—>cos(x)—>sin(x)

  圖像識別問題是物體識別的一個子問題，其魯棒性往往是解決該類問題一個非常重要的指標，該指標是指分類結果對於傳入數據中的一些轉化和扭曲具有保持不變的特性。這些轉化和扭曲具體主要包括了：
（1）噪音（2）尺度變化（3）旋轉（4）光線變化（5）位移

  該部分具體的內容，想要快速理解原理的話推薦看[知乎相關文章] ( https://www.hu.com/search?type=content&q=CNN )，
  特別是其中有些高贊回答中都有很多動圖和動畫，非常有助於理解。
  但核心而言，CNN的核心優勢在於 共享權重 以及 感受野 ，減少了網路的參數，實現了更快的訓練速度和同樣預測結果下更少的訓練樣本，而且相對於人工方法，一般使用深度學習實現的CNN演算法使用無監督學習，其也不需要手工提取特徵。

CNN演算法的過程給我的感覺，個人很像一個「擦玻璃」的過程。其技術主要包括了三個特性：局部感知、權重共享和池化。

  CNN中的神經元主要分成了兩種：
（a）用於特徵提取的S元，它們一起組成了卷積層，用於對於圖片中的每一個特徵首先局部感知。其又包含很關鍵的閾值參數（控制輸出對輸入的反映敏感度）和感受野參數（決定了從輸入層中提取多大的空間進行輸入，可以簡單理解為擦玻璃的抹布有多大）
（b）抗形變的C元，它們一起組成了池化層，也被稱為欠采樣或下采樣。主要用於特徵降維，壓縮數據和參數的數量，減小過擬合，同時提高模型的容錯性。
（c*）激活函數，及卷積層輸出的結果要經過一次激勵函數才會映射到池化層中，主要的激活函數有Sigmoid函數、Tanh函數、ReLU、Leaky ReLU、ELU、Maxout等。

  也許你會抱有疑問，CNN演算法和傳統的BP演算法等究竟有什麼區別呢。這就會引出區域感受野的概念。在前面我們提到，一個全連接中，較高一層的每個神經元要對低層的每一個神經元負責，從而導致了過擬合和維度災難的問題。但是有了區域感受野和，每個神經元只需要記錄一個小區域，而高層會把這些信息綜合起來，從而解決了全連接的問題。

  了解區域感受野後，你也許會想，區域感受野的底層神經元具體是怎麼聚合信息映射到上一層的神經元呢，這就要提到重要的卷積核的概念。這個過程非常像上面曾提到的「神經元與神經元的聯系」一圖，下面給大家一個很直觀的理解。

  上面的這個過程就被稱為一個卷積核。在實際應用中，單特徵不足以被系統學習分類，因此我們往往會使用多個濾波器，每個濾波器對應1個卷積核，也對應了一個不同的特徵。比如：我們現在有一個人臉識別應用，我們使用一個卷積核提取出眼睛的特徵，然後使用另一個卷積核提取出鼻子的特徵，再用一個卷積核提取出嘴巴的特徵，最後高層把這些信息聚合起來，就形成了分辨一個人與另一個人不同的判斷特徵。

  現在我們已經有了區域感受野，也已經了解了卷積核的概念。但你會發現在實際應用中還是有問題：
  給一個100 100的參數空間，假設我們的感受野大小是10 10，那麼一共有squar（1000-10+1）個，即10的六次方個感受野。每個感受野中就有100個參數特徵，及時每個感受野只對應一個卷積核，那麼空間內也會有10的八次方個次數，，更何況我們常常使用很多個卷積核。巨大的參數要求我們還需要進一步減少權重參數，這就引出了權重共享的概念。
   用一句話概括就是，對同一個特徵圖，每個感受野的卷積核是一樣的，如這樣操作後上例只需要100個參數。

  池化是CNN技術的最後一個特性，其基本思想是： 一塊區域有用的圖像特徵，在另一塊相似的區域中很可能仍然有用。即我們通過卷積得到了大量的邊緣EDGE數據，但往往相鄰的邊緣具有相似的特性，就好像我們已經得到了一個強邊緣，再擁有大量相似的次邊緣特徵其實是沒有太大增量價值的，因為這樣會使得系統里充斥大量冗餘信息消耗計算資源。 具體而言，池化層把語義上相似的特徵合並起來，通過池化操作減少卷積層輸出的特徵向量，減少了參數，緩解了過擬合問題。常見的池化操作主要包括3種：
分別是最大值池化（保留了圖像的紋理特徵）、均值池化（保留了圖像的整體特徵）和隨機值池化。該技術的弊端是容易過快減小數據尺寸，目前趨勢是用其他方法代替池化的作用,比如膠囊網路推薦採用動態路由來代替傳統池化方法，原因是池化會帶來一定程度上表徵的位移不變性，傳統觀點認為這是一個優勢，但是膠囊網路的作者Hinton et al.認為圖像中位置信息是應該保留的有價值信息，利用特別的聚類評分演算法和動態路由的方式可以學習到更高級且靈活的表徵，有望沖破目前卷積網路構架的瓶頸。

  CNN總體來說是一種結構，其包含了多種網路模型結構，數目繁多的的網路模型結構決定了數據擬合能力和泛化能力的差異。其中的復雜性對用戶的技術能力有較高的要求。此外，CNN仍然沒有很好的解決過擬合問題和計算速度較慢的問題。

   該部分的核心參考文獻：
《深度學習在圖像識別中的應用研究綜述》鄭遠攀,李廣陽,李曄.[J].計算機工程與應用,2019,55(12):20-36.
  深度學習技術在計算機圖像識別方面的領域應用研究是目前以及可預見的未來的主流趨勢，在這里首先對深度學習的基本概念作一簡介，其次對深度學習常用的結構模型進行概述說明，主要簡述了深度信念網路（DBN）、卷積神經網路（CNN）、循環神經網路（RNN）、生成式對抗網路（GAN）、膠囊網路（CapsNet）以及對各個深度模型的改進模型做一對比分析。

  深度學習按照學習架構可分為生成架構、判別架構及混合架構。
其生成架構模型主要包括：
  受限波爾茲曼機、自編碼器、深層信念網路等。判別架構模型主要包括：深層前饋網路、卷積神經網路等。混合架構模型則是這兩種架構的集合。深度學習按數據是否具有標簽可分為非監督學習與監督學習。非監督學習方法主要包括：受限玻爾茲曼機、自動編碼器、深層信念網路、深層玻爾茲曼機等。
  監督學習方法主要包括：深層感知器、深層前饋網路、卷積神經網路、深層堆疊網路、循環神經網路等。大量實驗研究表明，監督學習與非監督學習之間無明確的界限，如：深度信念網路在訓練過程中既用到監督學習方法又涉及非監督學習方法。

[1]周彬. 多視圖視覺檢測關鍵技術及其應用研究[D].浙江大學,2019.
[2]鄭遠攀,李廣陽,李曄.深度學習在圖像識別中的應用研究綜述[J].計算機工程與應用,2019,55(12):20-36.
[3]逄淑超. 深度學習在計算機視覺領域的若干關鍵技術研究[D].吉林大學,2017.
[4]段萌. 基於卷積神經網路的圖像識別方法研究[D].鄭州大學,2017.
[5]李彥冬. 基於卷積神經網路的計算機視覺關鍵技術研究[D].電子科技大學,2017.
[6]李衛. 深度學習在圖像識別中的研究及應用[D].武漢理工大學,2014.
[7]許可. 卷積神經網路在圖像識別上的應用的研究[D].浙江大學,2012.
[8]CSDN、知乎、機器之心、維基網路

G. 深入理解BP神經網路

BP神經網路是一種多層的前饋神經網路，其主要的特點是：信號是前向傳播的，而誤差是反向傳播的。具體來說，對於如下的只含一個隱層的神經網路模型：

BP神經網路的過程主要分為兩個階段，第一階段是信號的前向傳播，從輸入層經過隱含層，最後到達輸出層；第二階段是誤差的反向傳播，從輸出層到隱含層，最後到輸入層，依次調節隱含層到輸出層的權重和偏置，輸入層到隱含層的權重和偏置。

神經網路的基本組成單元是神經元。神經元的通用模型如圖所示，其中常用的激活函數有閾值函數、sigmoid函數和雙曲正切函數。 

神經元的輸出為： 

神經網路是將多個神經元按一定規則聯結在一起而形成的網路，如圖 所示。 

從圖 可以看出，一個神經網路包括輸入層、隱含層（中間層）和輸出層。輸入層神經元個數與輸入數據的維數相同，輸出層神經元個數與需要擬合的數據個數相同，隱含層神經元個數與層數就需要設計者自己根據一些規則和目標來設定。在深度學習出現之前，隱含層的層數通常為一層，即通常使用的神經網路是3層網路。 

BP網路採用的傳遞函數是非線性變換函數——Sigmoid函數（又稱S函數）。其特點是函數本身及其導數都是連續的，因而在處理上十分方便。為什麼要選擇這個函數，等下在介紹BP網路的學習演算法的時候會進行進一步的介紹。S函數有單極性S型函數和雙極性S型函數兩種，單極性S型函數定義如下：f(x)=1/1+e−x

其函數曲線如圖所示：

雙極性S型函數：f(x)=1−e−x/1+e−x

使用S型激活函數時，輸入：

輸出：

輸出的導數：

使用S型激活函數時，BP網路的輸出及其導數圖形：

根據S激活函數的圖形：

net在 -5~0 的時候導數的值為正，且導數的值逐漸增大， 說明此時f(x)在逐漸變大 且 變大的速度越來越快

net在 0~5  的時候導數的值為正，且導數的值逐漸減小， 說明此時f(x)在逐漸變大 但是 變大的速度越來越慢

對神經網路進行訓練，我們應該盡量將net的值盡量控制在收斂比較快的范圍內。

1.  定義一個BP神經網路的類，設置網路相關參數

2.    實例化該神經網路，按下圖被構建成一個輸出3維，輸出1維，帶有3個隱藏層（每個隱藏層10個節點）的BP網路；（此處還可以隨意擴展輸入、輸出維度和隱藏層相關系數）

3.    初始化BP神經網路的時候，開始初始化各層網路節點的 權重、權重動量、誤差初始值

4.  引入學習訓練數據；4組輸入、輸出數據迭代5000次

    5000次中不斷向前逐層計算輸出的節點數據

    並同時逐層計算誤差反向修改權重值，直到迭代完畢；注意誤差函數值必須呈現下降趨勢

5.  引入數據進行結果預測，將數據帶回模型計算得結果；最終可知預測結果趨近於0.7

神經網路利用現有的數據找出輸入與輸出之間得權值關系（近似），然後利用這樣的權值關系進行模擬，例如輸入一組數據模擬出輸出結果，當然你的輸入要和訓練時採用的數據集在一個范疇之內。例如預報天氣：溫度 濕度 氣壓等作為輸入 天氣情況作為輸出利用歷史得輸入輸出關系訓練出神經網路，然後利用這樣的神經網路輸入今天的溫度 濕度 氣壓等 得出即將得天氣情況。同理，運用到自動化測試中，使用測試數據反映結果走向，bug數，質量問題等情況也可以做到提前預測的！

附錄：