如何理解神經網路的卷積層

⑴ 卷積神經網路工作原理直觀的解釋

其實道理很簡單，因為卷積運算，從頻域角度看，是頻譜相乘所以圖像跟卷積核做卷積時，兩者頻譜不重疊的部分相乘，自然是0，那圖像這部分頻率的信息就被卷積核過濾了。而圖像，本質上就是二維離散的信號，像素點值的大小代表該位置的振幅，所以圖像包含了一系列頻率的特徵。比如圖像邊緣部分，像素值差別大，屬於高頻信號，背景部分，像素值差別小，是低頻信號。所以如果卷積核具有『高通』性質，就能起到提取圖像邊緣的作用，低通則有模糊的效果。所以，卷積神經網路的牛逼之處在於通過卷積層的不同卷積核，提取圖像不同頻段的特徵；以及通過池化層，提取不同粒度的特徵。

⑵ 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。

⑶ 卷積神經網路通俗理解

卷積神經網路（Convolutional Neural Networks, CNN）是一類包含卷積計算且具有深度結構的前饋神經網路（Feedforward Neural Networks），是深度學習（deep learning）的代表演算法之一。卷積神經網路具有表徵學習（representation learning）能力，能夠按其階層結構對輸入信息進行平移不變分類（shift-invariant classification），因此也被稱為「平移不變人工神經網路

⑷ 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。

⑸ 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） 》

⑹ 卷積神經網路的 卷積層、激活層、池化層、全連接層

數據輸入的是一張圖片（輸入層），CONV表示卷積層，RELU表示激勵層，POOL表示池化層，Fc表示全連接層

全連接神經網路需要非常多的計算資源才能支撐它來做反向傳播和前向傳播，所以說全連接神經網路可以存儲非常多的參數，如果你給它的樣本如果沒有達到它的量級的時候，它可以輕輕鬆鬆把你給他的樣本全部都記下來，這會出現過擬合的情況。

所以我們應該把神經元和神經元之間的連接的權重個數降下來，但是降下來我們又不能保證它有較強的學習能力，所以這是一個糾結的地方，所以有一個方法就是 局部連接+權值共享 ，局部連接+權值共享不僅權重參數降下來了，而且學習能力並沒有實質的降低，除此之外還有其它的好處，下來看一下，下面的這幾張圖片：

一個圖像的不同表示方式

這幾張圖片描述的都是一個東西，但是有的大有的小，有的靠左邊，有的靠右邊，有的位置不同，但是我們構建的網路識別這些東西的時候應該是同一結果。為了能夠達到這個目的，我們可以讓圖片的不同位置具有相同的權重（權值共享），也就是上面所有的圖片，我們只需要在訓練集中放一張，我們的神經網路就可以識別出上面所有的，這也是 權值共享 的好處。

而卷積神經網路就是局部連接+權值共享的神經網路。

現在我們對卷積神經網路有一個初步認識了，下面具體來講解一下卷積神經網路，卷積神經網路依舊是層級結構，但層的功能和形式做了改變，卷積神經網路常用來處理圖片數據，比如識別一輛汽車：

在圖片輸出到神經網路之前，常常先進行圖像處理，有 三種 常見的圖像的處理方式：

均值化和歸一化

去相關和白化

圖片有一個性質叫做局部關聯性質，一個圖片的像素點影響最大的是它周邊的像素點，而距離這個像素點比較遠的像素點二者之間關系不大。這個性質意味著每一個神經元我們不用處理全局的圖片了（和上一層全連接），我們的每一個神經元只需要和上一層局部連接，相當於每一個神經元掃描一小區域，然後許多神經元（這些神經元權值共享）合起來就相當於掃描了全局，這樣就構成一個特徵圖，n個特徵圖就提取了這個圖片的n維特徵，每個特徵圖是由很多神經元來完成的。

在卷積神經網路中，我們先選擇一個局部區域（filter），用這個局部區域（filter）去掃描整張圖片。 局部區域所圈起來的所有節點會被連接到下一層的 一個節點上 。我們拿灰度圖（只有一維）來舉例：

局部區域

圖片是矩陣式的，將這些以矩陣排列的節點展成了向量。就能更好的看出來卷積層和輸入層之間的連接，並不是全連接的，我們將上圖中的紅色方框稱為filter，它是2*2的，這是它的尺寸，這不是固定的，我們可以指定它的尺寸。

我們可以看出來當前filter是2*2的小窗口，這個小窗口會將圖片矩陣從左上角滑到右下角，每滑一次就會一下子圈起來四個，連接到下一層的一個神經元，然後產生四個權重，這四個權重(w1、w2、w3、w4)構成的矩陣就叫做卷積核。

卷積核是演算法自己學習得到的，它會和上一層計算，比如，第二層的0節點的數值就是局部區域的線性組合（w1 0+w2 1+w3 4+w4 5），即被圈中節點的數值乘以對應的權重後相加。

卷積核計算

卷積操作

我們前面說過圖片不用向量表示是為了保留圖片平面結構的信息。 同樣的，卷積後的輸出若用上圖的向量排列方式則丟失了平面結構信息。 所以我們依然用矩陣的方式排列它們，就得到了下圖所展示的連接，每一個藍色結點連接四個黃色的結點。

卷積層的連接方式

圖片是一個矩陣然後卷積神經網路的下一層也是一個矩陣，我們用一個卷積核從圖片矩陣左上角到右下角滑動，每滑動一次，當然被圈起來的神經元們就會連接下一層的一個神經元，形成參數矩陣這個就是卷積核，每次滑動雖然圈起來的神經元不同，連接下一層的神經元也不同，但是產生的參數矩陣確是一樣的，這就是 權值共享 。

卷積核會和掃描的圖片的那個局部矩陣作用產生一個值，比如第一次的時候，（w1 0+w2 1+w3 4+w4 5），所以，filter從左上到右下的這個過程中會得到一個矩陣（這就是下一層也是一個矩陣的原因），具體過程如下所示：

卷積計算過程

上圖中左邊是圖矩陣，我們使用的filter的大小是3 3的，第一次滑動的時候，卷積核和圖片矩陣作用（1 1+1 0+1 1+0 0+1 1+1 0+0 1+0 0+1 1）=4，會產生一個值，這個值就是右邊矩陣的第一個值，filter滑動9次之後，會產生9個值，也就是說下一層有9個神經元，這9個神經元產生的值就構成了一個矩陣，這矩陣叫做特徵圖，表示image的某一維度的特徵，當然具體哪一維度可能並不知道，可能是這個圖像的顏色，也有可能是這個圖像的輪廓等等。

單通道圖片總結 ：以上就是單通道的圖片的卷積處理，圖片是一個矩陣，我們用指定大小的卷積核從左上角到右下角來滑動，每次滑動所圈起來的結點會和下一層的一個結點相連，連接之後就會形成局部連接，每一條連接都會產生權重，這些權重就是卷積核，所以每次滑動都會產生一個卷積核，因為權值共享，所以這些卷積核都是一樣的。卷積核會不斷和當時卷積核所圈起來的局部矩陣作用，每次產生的值就是下一層結點的值了，這樣多次產生的值組合起來就是一個特徵圖，表示某一維度的特徵。也就是從左上滑動到右下這一過程中會形成一個特徵圖矩陣（共享一個卷積核），再從左上滑動到右下又會形成另一個特徵圖矩陣（共享另一個卷積核），這些特徵圖都是表示特徵的某一維度。

三個通道的圖片如何進行卷積操作？

至此我們應該已經知道了單通道的灰度圖是如何處理的，實際上我們的圖片都是RGB的圖像，有三個通道，那麼此時圖像是如何卷積的呢？

彩色圖像

filter窗口滑的時候，我們只是從width和height的角度來滑動的，並沒有考慮depth，所以每滑動一次實際上是產生一個卷積核，共享這一個卷積核，而現在depth=3了，所以每滑動一次實際上產生了具有三個通道的卷積核（它們分別作用於輸入圖片的藍色、綠色、紅色通道），卷積核的一個通道核藍色的矩陣作用產生一個值，另一個和綠色的矩陣作用產生一個值，最後一個和紅色的矩陣作用產生一個值，然後這些值加起來就是下一層結點的值，結果也是一個矩陣，也就是一張特徵圖。

三通道的計算過程

要想有多張特徵圖的話，我們可以再用新的卷積核來進行左上到右下的滑動，這樣就會形成 新的特徵圖 。

三通道圖片的卷積過程

也就是說增加一個卷積核，就會產生一個特徵圖，總的來說就是輸入圖片有多少通道，我們的卷積核就需要對應多少通道，而本層中卷積核有多少個，就會產生多少個特徵圖。這樣卷積後輸出可以作為新的輸入送入另一個卷積層中處理，有幾個特徵圖那麼depth就是幾，那麼下一層的每一個特徵圖就得用相應的通道的卷積核來對應處理，這個邏輯要清楚，我們需要先了解一下 基本的概念：

卷積計算的公式

4x4的圖片在邊緣Zero padding一圈後，再用3x3的filter卷積後，得到的Feature Map尺寸依然是4x4不變。

填充

當然也可以使用5x5的filte和2的zero padding可以保持圖片的原始尺寸，3x3的filter考慮到了像素與其距離為1以內的所有其他像素的關系，而5x5則是考慮像素與其距離為2以內的所有其他像素的關系。

規律： Feature Map的尺寸等於

(input_size + 2 * padding_size − filter_size)/stride+1

我們可以把卷積層的作用 總結一點： 卷積層其實就是在提取特徵，卷積層中最重要的是卷積核（訓練出來的），不同的卷積核可以探測特定的形狀、顏色、對比度等，然後特徵圖保持了抓取後的空間結構，所以不同卷積核對應的特徵圖表示某一維度的特徵，具體什麼特徵可能我們並不知道。特徵圖作為輸入再被卷積的話，可以則可以由此探測到"更大"的形狀概念，也就是說隨著卷積神經網路層數的增加，特徵提取的越來越具體化。

激勵層的作用可以理解為把卷積層的結果做 非線性映射 。

激勵層

上圖中的f表示激勵函數，常用的激勵函數幾下幾種：

常用的激勵函數

我們先來看一下激勵函數Sigmoid導數最小為0，最大為1/4，

激勵函數Sigmoid

Tanh激活函數：和sigmoid相似，它會關於x軸上下對應，不至於朝某一方面偏向

Tanh激活函數

ReLU激活函數（修正線性單元)：收斂快，求梯度快，但較脆弱，左邊的梯度為0

ReLU激活函數

Leaky ReLU激活函數：不會飽和或者掛掉，計算也很快，但是計算量比較大

Leaky ReLU激活函數

一些激勵函數的使用技巧 ：一般不要用sigmoid，首先試RELU，因為快，但要小心點，如果RELU失效，請用Leaky ReLU，某些情況下tanh倒是有不錯的結果。

這就是卷積神經網路的激勵層，它就是將卷積層的線性計算的結果進行了非線性映射。可以從下面的圖中理解。它展示的是將非線性操作應用到一個特徵圖中。這里的輸出特徵圖也可以看作是"修正"過的特徵圖。如下所示：

非線性操作

池化層：降低了各個特徵圖的維度，但可以保持大分重要的信息。池化層夾在連續的卷積層中間，壓縮數據和參數的量，減小過擬合，池化層並沒有參數，它只不過是把上層給它的結果做了一個下采樣（數據壓縮）。下采樣有 兩種 常用的方式：

Max pooling ：選取最大的，我們定義一個空間鄰域（比如，2x2 的窗口），並從窗口內的修正特徵圖中取出最大的元素，最大池化被證明效果更好一些。

Average pooling ：平均的，我們定義一個空間鄰域（比如，2x2 的窗口），並從窗口內的修正特徵圖算出平均值

Max pooling

我們要注意一點的是：pooling在不同的depth上是分開執行的，也就是depth=5的話，pooling進行5次，產生5個池化後的矩陣，池化不需要參數控制。池化操作是分開應用到各個特徵圖的，我們可以從五個輸入圖中得到五個輸出圖。

池化操作

無論是max pool還是average pool都有分信息被舍棄，那麼部分信息被舍棄後會損壞識別結果嗎？

因為卷積後的Feature Map中有對於識別物體不必要的冗餘信息，我們下采樣就是為了去掉這些冗餘信息，所以並不會損壞識別結果。

我們來看一下卷積之後的冗餘信息是怎麼產生的？

我們知道卷積核就是為了找到特定維度的信息，比如說某個形狀，但是圖像中並不會任何地方都出現這個形狀，但卷積核在卷積過程中沒有出現特定形狀的圖片位置卷積也會產生一個值，但是這個值的意義就不是很大了，所以我們使用池化層的作用，將這個值去掉的話，自然也不會損害識別結果了。

比如下圖中，假如卷積核探測"橫折"這個形狀。 卷積後得到3x3的Feature Map中，真正有用的就是數字為3的那個節點，其餘數值對於這個任務而言都是無關的。 所以用3x3的Max pooling後，並沒有對"橫折"的探測產生影響。 試想在這里例子中如果不使用Max pooling，而讓網路自己去學習。 網路也會去學習與Max pooling近似效果的權重。因為是近似效果，增加了更多的參數的代價，卻還不如直接進行最大池化處理。

最大池化處理

在全連接層中所有神經元都有權重連接，通常全連接層在卷積神經網路尾部。當前面卷積層抓取到足以用來識別圖片的特徵後，接下來的就是如何進行分類。 通常卷積網路的最後會將末端得到的長方體平攤成一個長長的向量，並送入全連接層配合輸出層進行分類。比如，在下面圖中我們進行的圖像分類為四分類問題，所以卷積神經網路的輸出層就會有四個神經元。

四分類問題

我們從卷積神經網路的輸入層、卷積層、激活層、池化層以及全連接層來講解卷積神經網路，我們可以認為全連接層之間的在做特徵提取，而全連接層在做分類，這就是卷積神經網路的核心。

⑺ 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 。

⑻ 卷積神經網路中的卷積的物理意義和現象

從數學上講，卷積就是一種運算

在信號與系統中卷積的公式如下：

對應相乘再相加，這是在坐標軸上進行的

對於在圖像中這樣一個二維矩陣的卷積中，我們可以想像的就是卷積神經網路中的「平滑問題」

如下圖所示為對圖像做平滑，一個典型的8領域平滑，其結果中的每個值都來源於原對應位置和其周邊8個元素與一個3X3矩陣的乘積，也就相當於對原矩陣，按照順序將各區域元素與W矩陣相乘，W 矩陣為

這也被稱作核(Kernel, 3X3)

最後我們可以得到如右圖所示的數字「3」。

如果依次平滑過去便可以得到卷積圖的像素值數值變化。

內核放置在圖像的左上角。內核覆蓋的像素值乘以相應的內核值，並且乘積相加。結果放置在與內核中心相對應的位置的新映像中。下圖顯示了第一步的一個例子。

內核被移動一個像素，這個過程被重新設置，直到圖像中的所有可能的位置被過濾如下，這次是水平的Sobel過濾器。請注意，在卷積圖像周圍存在空值的邊框。這是因為卷積的結果放在內核的中心。為了解決這個問題，我們使用了一個叫做「padding」或者更常見的「零填充」的過程。這僅僅意味著在原始圖像周圍放置了一個零邊框，以使其四周變寬。卷積然後按正常進行，但是卷積結果現在將產生與原始大小相同的圖像。

卷積後發現邊緣空白，為了使圖像有原來的尺寸，邊緣填0，也即padding, 但是填完了再利用「核」再做一次卷積，所以執行下面的操作:

所以池化層的目的也比較明確，就是減小尺寸，去除padding產生的數據信息。

現在我們有了我們的卷積圖像，我們可以使用色彩映射來顯示結果。在這里，我只是規范了0到255之間的值，以便我可以應用灰度可視化：

神經網路中，卷積+池化是特徵提取器，全連接層是分類器.

參考文獻：

[1] https://www.hu.com/question/39022858

[2] https://mlnotebook.github.io/post/CNN1/

[3] https://www.hu.com/question/22298352