要學卷積神經網路需要學什麼基礎

1. 想要學習人工神經網路，需要什麼樣的基礎知識

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簡介：本書是人工神經網路理論的入門書籍。全書共分十章。第一章主要闡述人工神經網路理論的產生及發展歷史、理論特點和研究方向；第二章至第九章介紹人工神經網路理論中比較成熟且常用的幾種主要網路結構、演算法和應用途徑；第十章用較多篇幅介紹了人工神經網路理論在各個領域的應用實例。

2. 一文看懂卷積神經網路-CNN（基本原理+獨特價值+實際應用）

在 CNN 出現之前，圖像對於人工智慧來說是一個難題，有2個原因：

圖像需要處理的數據量太大，導致成本很高，效率很低

圖像在數字化的過程中很難保留原有的特徵，導致圖像處理的准確率不高

下面就詳細說明一下這2個問題：

圖像是由像素構成的，每個像素又是由顏色構成的。

現在隨隨便便一張圖片都是 1000×1000 像素以上的， 每個像素都有RGB 3個參數來表示顏色信息。

假如我們處理一張 1000×1000 像素的圖片，我們就需要處理3百萬個參數！

1000×1000×3=3,000,000

這么大量的數據處理起來是非常消耗資源的，而且這只是一張不算太大的圖片！

卷積神經網路 – CNN 解決的第一個問題就是「將復雜問題簡化」，把大量參數降維成少量參數，再做處理。

更重要的是：我們在大部分場景下，降維並不會影響結果。比如1000像素的圖片縮小成200像素，並不影響肉眼認出來圖片中是一隻貓還是一隻狗，機器也是如此。

圖片數字化的傳統方式我們簡化一下，就類似下圖的過程：

假如有圓形是1，沒有圓形是0，那麼圓形的位置不同就會產生完全不同的數據表達。但是從視覺的角度來看， 圖像的內容（本質）並沒有發生變化，只是位置發生了變化 。

所以當我們移動圖像中的物體，用傳統的方式的得出來的參數會差異很大！這是不符合圖像處理的要求的。

而 CNN 解決了這個問題，他用類似視覺的方式保留了圖像的特徵，當圖像做翻轉，旋轉或者變換位置時，它也能有效的識別出來是類似的圖像。

那麼卷積神經網路是如何實現的呢？在我們了解 CNN 原理之前，先來看看人類的視覺原理是什麼？

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TorstenWiesel，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）。下面是人腦進行人臉識別的一個示例：

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：

我們可以看到，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。

那麼我們可以很自然的想到：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。

典型的 CNN 由3個部分構成：

卷積層

池化層

全連接層

如果簡單來描述的話：

卷積層負責提取圖像中的局部特徵；池化層用來大幅降低參數量級(降維)；全連接層類似傳統神經網路的部分，用來輸出想要的結果。

下面的原理解釋為了通俗易懂，忽略了很多技術細節，如果大家對詳細的原理感興趣，可以看這個視頻《 卷積神經網路基礎 》。

卷積層的運算過程如下圖，用一個卷積核掃完整張圖片：

這個過程我們可以理解為我們使用一個過濾器（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。如果我們設計了6個卷積核，可以理解：我們認為這個圖像上有6種底層紋理模式，也就是我們用6中基礎模式就能描繪出一副圖像。以下就是25種不同的卷積核的示例：

總結：卷積層的通過卷積核的過濾提取出圖片中局部的特徵，跟上面提到的人類視覺的特徵提取類似。

池化層簡單說就是下采樣，他可以大大降低數據的維度。其過程如下：

上圖中，我們可以看到，原始圖片是20×20的，我們對其進行下采樣，采樣窗口為10×10，最終將其下采樣成為一個2×2大小的特徵圖。

之所以這么做的原因，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，就進行下采樣。

總結：池化層相比卷積層可以更有效的降低數據維度，這么做不但可以大大減少運算量，還可以有效的避免過擬合。

這個部分就是最後一步了，經過卷積層和池化層處理過的數據輸入到全連接層，得到最終想要的結果。

經過卷積層和池化層降維過的數據，全連接層才能」跑得動」，不然數據量太大，計算成本高，效率低下。

典型的 CNN 並非只是上面提到的3層結構，而是多層結構，例如 LeNet-5 的結構就如下圖所示：

卷積層 – 池化層- 卷積層 – 池化層 – 卷積層 – 全連接層

在了解了 CNN 的基本原理後，我們重點說一下 CNN 的實際應用有哪些。

卷積神經網路 – CNN 很擅長處理圖像。而視頻是圖像的疊加，所以同樣擅長處理視頻內容。下面給大家列一些比較成熟的應用�：

圖像分類、檢索

圖像分類是比較基礎的應用，他可以節省大量的人工成本，將圖像進行有效的分類。對於一些特定領域的圖片，分類的准確率可以達到 95%+，已經算是一個可用性很高的應用了。

典型場景：圖像搜索…

目標定位檢測

可以在圖像中定位目標，並確定目標的位置及大小。

典型場景：自動駕駛、安防、醫療…

目標分割

簡單理解就是一個像素級的分類。

他可以對前景和背景進行像素級的區分、再高級一點還可以識別出目標並且對目標進行分類。

典型場景：美圖秀秀、視頻後期加工、圖像生成…

人臉識別

人臉識別已經是一個非常普及的應用了，在很多領域都有廣泛的應用。

典型場景：安防、金融、生活…

骨骼識別

骨骼識別是可以識別身體的關鍵骨骼，以及追蹤骨骼的動作。

典型場景：安防、電影、圖像視頻生成、游戲…

今天我們介紹了 CNN 的價值、基本原理和應用場景，簡單總結如下：

CNN 的價值：

能夠將大數據量的圖片有效的降維成小數據量(並不影響結果)

能夠保留圖片的特徵，類似人類的視覺原理

CNN 的基本原理：

卷積層 – 主要作用是保留圖片的特徵

池化層 – 主要作用是把數據降維，可以有效的避免過擬合

全連接層 – 根據不同任務輸出我們想要的結果

CNN 的實際應用：

圖片分類、檢索

目標定位檢測

目標分割

人臉識別

骨骼識別

本文首發在 easyAI - 人工智慧知識庫

《 一文看懂卷積神經網路-CNN（基本原理+獨特價值+實際應用） 》

3. 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。

4. 想學神經網路需要掌握哪些數學知識

需要掌握高等數學，概率與數理統計，線性代數，凹優化，這些都是必須要學的