神經網路結構採用權重共享機制

A. 如何理解人工智慧神經網路中的權值共享問題

權值(權重)共享這個詞是由LeNet5模型提出來的。以CNN為例，在對一張圖偏進行卷積的過程中，使用的是同一個卷積核的參數。比如一個3×3×1的卷積核，這個卷積核內9個的參數被整張圖共享，而不會因為圖像內位置的不同而改變卷積核內的權系數。說的再直白一些，就是用一個卷積核不改變其內權系數的情況下卷積處理整張圖片(當然CNN中每一層不會只有一個卷積核的，這樣說只是為了方便解釋而已)。

B. 人工智慧CNN卷積神經網路如何共享權值

首先權值共享就是濾波器共享，濾波器的參數是固定的，即是用相同的濾波器去掃一遍圖像，提取一次特徵特徵，得到feature map。在卷積網路中，學好了一個濾波器，就相當於掌握了一種特徵，這個濾波器在圖像中滑動，進行特徵提取，然後所有進行這樣操作的區域都會被採集到這種特徵，就好比上面的水平線。

C. CNN基本運算元與操作

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。

卷積神經網路有三個結構上的特性： 局部連接 ， 權重共享 以及空間或時間上的 次采樣 。詳細介紹請見 卷積神經網路

1、卷積層  詳情參考 卷積層（Convolution Layer）

2、全連接層 詳情參考 全連接層 （Connected Layer）  作用：降維

3、Softmax Layer 詳情參考  Softmax Layer

4、 CNN池化

      最大值池化 詳情參考 最大池化層（Maxpool Layer）

      平局值池化 詳情參考 平均值池化

      Golbal Average Pooling 詳情參考 Golbal Average Pooling

      Spatial Pyramid Pooling 詳情參考 Spatial Pyramid Pooling

5、dropout layer：目的是為了防止CNN 過擬合，主要用於訓練過程，推理過程不需要 詳情參考 Dropout Layer

6、 激活函數  ：線性激活函數與非線性激活函數

     非線性激活函數，可以使神經網路隨意逼近復雜函數：Sigmoid、Tanh、ReLU

      Sigmoid：詳情參考 Sigmoid

      ReLU：詳情參考 ReLU

      Tanh：詳情參考 Tanh

7、 loss函數

8、 梯度下降

D. ENAS：首個權值共享的神經網路搜索方法，千倍加速 | ICML 2018

論文: Efficient Neural Architecture Search via Parameter Sharing

  神經網路結構搜索(NAS)目前在圖像分類的模型結構設計上有很大的成果，但十分耗時，主要花在搜索到的網路(child model)的訓練。論文的主要工作是提出 Efficient Neural Architecture Search (ENAS)，強制所有的child model進行權重共享，避免從零開始訓練，從而達到提高效率的目的。雖然不同的模型使用不同的權重，但從遷移學習和多任務學習的研究結果來看，將當前任務的模型A學習到的參數應用於別的任務的模型B是可行的。從實驗看來，不僅共享參數是可行的，而且能帶來很強的表現，實驗僅用單張1080Ti，相對與NAS有1000x倍加速

  NAS的搜索結果可以看作是大圖中的子圖，可以用單向無環圖(DAG)來表示搜索空間，每個搜索的結構可以認為是圖2的DAG一個子網。ENAS定義的DAG為所有子網的疊加，其中每個節點的每種計算類型都有自己的參數，當特定的計算方法激活時，參數才使用。因此，ENAS的設計允許子網進行參數共享，下面會介紹具體細節

  為了設計循環單元(recurrent cell)，採用 節點的DAG，節點代表計算類型，邊代表信息流向，ENAS的controller也是RNN，主要定義：1) 激活的邊 2) 每個節點的計算類型。在NAS(Zoph 2017)，循環單元的搜索空間在預先定義結構的拓撲結構(二叉樹)上，僅學習每個節點的計算類型，而NAS則同時學習拓撲結構和計算類型，更靈活

  為了創建循環單元，the controller RNN首先採樣 個block的結果，取 ， 為當前單元輸入信息(例如word embedding)， 為前一個time step的隱藏層輸出，具體步驟如下：

  注意到每對節點( )都有獨立的參數 ，根據選擇的索引決定使用哪個參數，因此，ENAS的所有循環單元能同一個共享參數集合。論文的搜索空間包含指數數量的配置，假設有N個節點和4種激活函數，則共有 種配置

  ENAS的controller為100個隱藏單元的LSTM，通過softmax分類器以自回歸(autoregressive fashion)的方式進行選擇的決定，上一個step的輸出作為下一個step的輸入embedding，controller的第一個step則接受空embedding輸入。學習的參數主要有controller LSTM的參數 和子網的共享權重 ，ENAS的訓練分兩個交叉的階段，第一階段在完整的訓練集上進行共享權重 學習，第二階段訓練controller LSTM的參數

  固定controller的策略 ，然後進行 進行隨機梯度下降(SGD)來最小化交叉熵損失函數的期望 ， 為模型 在mini-batch上的交叉熵損失，模型 從 采樣而來

  梯度的計算如公式1， 上從 采樣來的，集合所有模型的梯度進行更新。公式1是梯度的無偏估計，但有一個很高的方差（跟NAS一樣，采樣的模型性能差異），而論文發現，當 時，訓練的效果還行

  固定 然後更新策略參數 ，目標是最大化期望獎勵 ，使用Adam優化器，梯度計算使用Williams的REINFORCE方法，加上指數滑動平均來降低方差， 的計算在獨立的驗證集上進行，整體基本跟Zoph的NAS一樣

  訓練好的ENAS進行新模型構造，首先從訓練的策略 采樣幾個新的結構，對於每個采樣的模型，計算其在驗證集的minibatch上的准確率，取准確率最高的模型進行從零開始的重新訓練，可以對所有采樣的網路進行從零訓練，但是論文的方法准確率差不多，經濟效益更大

  對於創建卷積網路，the controller每個decision block進行兩個決定，這些決定構成卷積網路的一層：

  做 次選擇產生 層的網路，共 種網路，在實驗中，L取12

  NASNet提出設計小的模塊，然後堆疊成完整的網路，主要設計convolutional cell和rection cell

  使用ENAS生成convolutional cell，構建B節點的DAG來代表單元內的計算，其中node 1和node 2代表單元輸入，為完整網路中前兩個單元的輸出，剩餘的 個節點，預測兩個選擇：1) 選擇兩個之前的節點作為當前節點輸入 2) 選擇用於兩個輸入的計算類型，共5種運算元：identity, separable convolution with kernel size 3 × 3 and 5 × 5, and average pooling and max pooling with kernel size 3×3，然後將運算元結果相加。對於 ，搜索過程如下:

  對於rection cell，可以同樣地使用上面的搜索空間生成: 1) 如圖5采樣一個計算圖 2) 將所有計算的stride改為2。這樣rection cell就能將輸入縮小為1/2，controller共預測 blocks
  最後計算下搜索空間的復雜度，對於node i ，troller選擇前 個節點中的兩個，然後選擇五種運算元的兩種，共 種坑的單元。因為兩種單元是獨立的，所以搜索空間的大小最終為 ，對於 ，大約 種網路

  節點的計算做了一點修改，增加highway connections，例如 修改為 ，其中 ， 為elementwise乘法。搜索到的結果如圖6所示，有意思的是：1) 激活方法全部為tanh或ReLU 2) 結構可能為局部最優，隨機替換節點的激活函數都會造成大幅的性能下降 3) 搜索的輸出是6個node的平均，與mixture of contexts(MoC)類似

  單1080Ti訓練了10小時，Penn Treebank上的結果如表1所示，PPL越低則性能越好，可以看到ENAS不準復雜度低，參數量也很少

  表2的第一塊為最好的分類網路DenseNet的結構，第二塊為ENAS設計整個卷積網路的結果(感覺這里不應有micro search space)，第三塊為設計單元的結果

  全網路搜索的最優結構如圖7所示，達到4.23%錯誤率，比NAS的效果要好，大概單卡搜索7小時，相對NAS有50000x倍加速

  單元搜索的結構如圖8所示，單卡搜索11.5小時， ，錯誤率為3.54%，加上CutOut增強後比NASNet要好。論文發現ENAS搜索的結構都是局部最優的，修改都會帶來性能的降低，而ENAS不採樣多個網路進行訓練，這個給NAS帶來很大性能的提升

 

  NAS是自動設計網路結構的重要方法，但需要耗費巨大的資源，導致不能廣泛地應用，而論文提出的 Efficient Neural Architecture Search (ENAS)，在搜索時對子網的參數進行共享，相對於NAS有超過1000x倍加速，單卡搜索不到半天，而且性能並沒有降低，十分值得參考

 
 
 

E. 一文看懂四種基本的神經網路架構

原文鏈接：
http://blackblog.tech/2018/02/23/Eight-Neural-Network/

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剛剛入門神經網路，往往會對眾多的神經網路架構感到困惑，神經網路看起來復雜多樣，但是這么多架構無非也就是三類，前饋神經網路，循環網路，對稱連接網路，本文將介紹四種常見的神經網路，分別是CNN，RNN，DBN，GAN。通過這四種基本的神經網路架構，我們來對神經網路進行一定的了解。

神經網路是機器學習中的一種模型，是一種模仿動物神經網路行為特徵，進行分布式並行信息處理的演算法數學模型。這種網路依靠系統的復雜程度，通過調整內部大量節點之間相互連接的關系，從而達到處理信息的目的。
一般來說，神經網路的架構可以分為三類：

前饋神經網路：
這是實際應用中最常見的神經網路類型。第一層是輸入，最後一層是輸出。如果有多個隱藏層，我們稱之為「深度」神經網路。他們計算出一系列改變樣本相似性的變換。各層神經元的活動是前一層活動的非線性函數。

循環網路：
循環網路在他們的連接圖中定向了循環，這意味著你可以按照箭頭回到你開始的地方。他們可以有復雜的動態，使其很難訓練。他們更具有生物真實性。
循環網路的目的使用來處理序列數據。在傳統的神經網路模型中，是從輸入層到隱含層再到輸出層，層與層之間是全連接的，每層之間的節點是無連接的。但是這種普通的神經網路對於很多問題卻無能無力。例如，你要預測句子的下一個單詞是什麼，一般需要用到前面的單詞，因為一個句子中前後單詞並不是獨立的。
循環神經網路，即一個序列當前的輸出與前面的輸出也有關。具體的表現形式為網路會對前面的信息進行記憶並應用於當前輸出的計算中，即隱藏層之間的節點不再無連接而是有連接的，並且隱藏層的輸入不僅包括輸入層的輸出還包括上一時刻隱藏層的輸出。

對稱連接網路：
對稱連接網路有點像循環網路，但是單元之間的連接是對稱的（它們在兩個方向上權重相同）。比起循環網路，對稱連接網路更容易分析。這個網路中有更多的限制，因為它們遵守能量函數定律。沒有隱藏單元的對稱連接網路被稱為「Hopfield 網路」。有隱藏單元的對稱連接的網路被稱為玻爾茲曼機。

其實之前的帖子講過一些關於感知機的內容，這里再復述一下。
首先還是這張圖
這是一個M-P神經元

一個神經元有n個輸入，每一個輸入對應一個權值w，神經元內會對輸入與權重做乘法後求和，求和的結果與偏置做差，最終將結果放入激活函數中，由激活函數給出最後的輸出，輸出往往是二進制的，0 狀態代表抑制，1 狀態代表激活。

可以把感知機看作是 n 維實例空間中的超平面決策面，對於超平面一側的樣本，感知器輸出 1，對於另一側的實例輸出 0，這個決策超平面方程是 w⋅x=0。 那些可以被某一個超平面分割的正反樣例集合稱為線性可分(linearly separable)樣例集合，它們就可以使用圖中的感知機表示。
與、或、非問題都是線性可分的問題，使用一個有兩輸入的感知機能容易地表示，而異或並不是一個線性可分的問題，所以使用單層感知機是不行的，這時候就要使用多層感知機來解決疑惑問題了。

如果我們要訓練一個感知機，應該怎麼辦呢？
我們會從隨機的權值開始，反復地應用這個感知機到每個訓練樣例，只要它誤分類樣例就修改感知機的權值。重復這個過程，直到感知機正確分類所有的樣例。每一步根據感知機訓練法則來修改權值，也就是修改與輸入 xi 對應的權 wi，法則如下：

這里 t 是當前訓練樣例的目標輸出，o 是感知機的輸出，η 是一個正的常數稱為學習速率。學習速率的作用是緩和每一步調整權的程度，它通常被設為一個小的數值（例如 0.1），而且有時會使其隨著權調整次數的增加而衰減。

多層感知機，或者說是多層神經網路無非就是在輸入層與輸出層之間加了多個隱藏層而已，後續的CNN，DBN等神經網路只不過是將重新設計了每一層的類型。感知機可以說是神經網路的基礎，後續更為復雜的神經網路都離不開最簡單的感知機的模型，

談到機器學習，我們往往還會跟上一個詞語，叫做模式識別，但是真實環境中的模式識別往往會出現各種問題。比如：
圖像分割：真實場景中總是摻雜著其它物體。很難判斷哪些部分屬於同一個對象。對象的某些部分可以隱藏在其他對象的後面。
物體光照：像素的強度被光照強烈影響。
圖像變形：物體可以以各種非仿射方式變形。例如，手寫也可以有一個大的圓圈或只是一個尖頭。
情景支持：物體所屬類別通常由它們的使用方式來定義。例如，椅子是為了讓人們坐在上面而設計的，因此它們具有各種各樣的物理形狀。
卷積神經網路與普通神經網路的區別在於，卷積神經網路包含了一個由卷積層和子采樣層構成的特徵抽取器。在卷積神經網路的卷積層中，一個神經元只與部分鄰層神經元連接。在CNN的一個卷積層中，通常包含若干個特徵平面(featureMap)，每個特徵平面由一些矩形排列的的神經元組成，同一特徵平面的神經元共享權值，這里共享的權值就是卷積核。卷積核一般以隨機小數矩陣的形式初始化，在網路的訓練過程中卷積核將學習得到合理的權值。共享權值（卷積核）帶來的直接好處是減少網路各層之間的連接，同時又降低了過擬合的風險。子采樣也叫做池化（pooling），通常有均值子采樣（mean pooling）和最大值子采樣（max pooling）兩種形式。子采樣可以看作一種特殊的卷積過程。卷積和子采樣大大簡化了模型復雜度，減少了模型的參數。
卷積神經網路由三部分構成。第一部分是輸入層。第二部分由n個卷積層和池化層的組合組成。第三部分由一個全連結的多層感知機分類器構成。
這里舉AlexNet為例：

·輸入：224×224大小的圖片，3通道
·第一層卷積：11×11大小的卷積核96個，每個GPU上48個。
·第一層max-pooling：2×2的核。
·第二層卷積：5×5卷積核256個，每個GPU上128個。
·第二層max-pooling：2×2的核。
·第三層卷積：與上一層是全連接，3*3的卷積核384個。分到兩個GPU上個192個。
·第四層卷積：3×3的卷積核384個，兩個GPU各192個。該層與上一層連接沒有經過pooling層。
·第五層卷積：3×3的卷積核256個，兩個GPU上個128個。
·第五層max-pooling：2×2的核。
·第一層全連接：4096維，將第五層max-pooling的輸出連接成為一個一維向量，作為該層的輸入。
·第二層全連接：4096維
·Softmax層：輸出為1000，輸出的每一維都是圖片屬於該類別的概率。

卷積神經網路在模式識別領域有著重要應用，當然這里只是對卷積神經網路做了最簡單的講解，卷積神經網路中仍然有很多知識，比如局部感受野，權值共享，多卷積核等內容，後續有機會再進行講解。

傳統的神經網路對於很多問題難以處理，比如你要預測句子的下一個單詞是什麼，一般需要用到前面的單詞，因為一個句子中前後單詞並不是獨立的。RNN之所以稱為循環神經網路，即一個序列當前的輸出與前面的輸出也有關。具體的表現形式為網路會對前面的信息進行記憶並應用於當前輸出的計算中，即隱藏層之間的節點不再無連接而是有連接的，並且隱藏層的輸入不僅包括輸入層的輸出還包括上一時刻隱藏層的輸出。理論上，RNN能夠對任何長度的序列數據進行處理。
這是一個簡單的RNN的結構，可以看到隱藏層自己是可以跟自己進行連接的。

那麼RNN為什麼隱藏層能夠看到上一刻的隱藏層的輸出呢，其實我們把這個網路展開來開就很清晰了。

從上面的公式我們可以看出，循環層和全連接層的區別就是循環層多了一個權重矩陣 W。
如果反復把式2帶入到式1，我們將得到：

在講DBN之前，我們需要對DBN的基本組成單位有一定的了解，那就是RBM，受限玻爾茲曼機。
首先什麼是玻爾茲曼機？
[圖片上傳失敗...(image-d36b31-1519636788074)]
如圖所示為一個玻爾茲曼機，其藍色節點為隱層，白色節點為輸入層。
玻爾茲曼機和遞歸神經網路相比，區別體現在以下幾點：
1、遞歸神經網路本質是學習一個函數，因此有輸入和輸出層的概念，而玻爾茲曼機的用處在於學習一組數據的「內在表示」，因此其沒有輸出層的概念。
2、遞歸神經網路各節點鏈接為有向環，而玻爾茲曼機各節點連接成無向完全圖。

而受限玻爾茲曼機是什麼呢？
最簡單的來說就是加入了限制，這個限制就是將完全圖變成了二分圖。即由一個顯層和一個隱層構成，顯層與隱層的神經元之間為雙向全連接。

h表示隱藏層，v表示顯層
在RBM中，任意兩個相連的神經元之間有一個權值w表示其連接強度，每個神經元自身有一個偏置系數b（對顯層神經元）和c（對隱層神經元）來表示其自身權重。
具體的公式推導在這里就不展示了

DBN是一個概率生成模型，與傳統的判別模型的神經網路相對，生成模型是建立一個觀察數據和標簽之間的聯合分布，對P(Observation|Label)和 P(Label|Observation)都做了評估，而判別模型僅僅而已評估了後者，也就是P(Label|Observation)。
DBN由多個限制玻爾茲曼機（Restricted Boltzmann Machines）層組成，一個典型的神經網路類型如圖所示。這些網路被「限制」為一個可視層和一個隱層，層間存在連接，但層內的單元間不存在連接。隱層單元被訓練去捕捉在可視層表現出來的高階數據的相關性。

生成對抗網路其實在之前的帖子中做過講解，這里在說明一下。
生成對抗網路的目標在於生成，我們傳統的網路結構往往都是判別模型，即判斷一個樣本的真實性。而生成模型能夠根據所提供的樣本生成類似的新樣本，注意這些樣本是由計算機學習而來的。
GAN一般由兩個網路組成，生成模型網路，判別模型網路。
生成模型 G 捕捉樣本數據的分布，用服從某一分布（均勻分布，高斯分布等）的雜訊 z 生成一個類似真實訓練數據的樣本，追求效果是越像真實樣本越好；判別模型 D 是一個二分類器，估計一個樣本來自於訓練數據（而非生成數據）的概率，如果樣本來自於真實的訓練數據，D 輸出大概率，否則，D 輸出小概率。
舉個例子：生成網路 G 好比假幣製造團伙，專門製造假幣，判別網路 D 好比警察，專門檢測使用的貨幣是真幣還是假幣，G 的目標是想方設法生成和真幣一樣的貨幣，使得 D 判別不出來，D 的目標是想方設法檢測出來 G 生成的假幣。
傳統的判別網路：

生成對抗網路：

下面展示一個cDCGAN的例子（前面帖子中寫過的）
生成網路

判別網路

最終結果，使用MNIST作為初始樣本，通過學習後生成的數字，可以看到學習的效果還是不錯的。

本文非常簡單的介紹了四種神經網路的架構，CNN，RNN，DBN，GAN。當然也僅僅是簡單的介紹，並沒有深層次講解其內涵。這四種神經網路的架構十分常見，應用也十分廣泛。當然關於神經網路的知識，不可能幾篇帖子就講解完，這里知識講解一些基礎知識，幫助大家快速入（zhuang）門（bi）。後面的帖子將對深度自動編碼器，Hopfield 網路長短期記憶網路（LSTM）進行講解。

F. 卷積神經網路演算法是什麼

一維構築、二維構築、全卷積構築。

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（Shift-Invariant Artificial Neural Networks, SIANN）」。

卷積神經網路的連接性：

卷積神經網路中卷積層間的連接被稱為稀疏連接（sparse connection），即相比於前饋神經網路中的全連接，卷積層中的神經元僅與其相鄰層的部分，而非全部神經元相連。具體地，卷積神經網路第l層特徵圖中的任意一個像素（神經元）都僅是l-1層中卷積核所定義的感受野內的像素的線性組合。

卷積神經網路的稀疏連接具有正則化的效果，提高了網路結構的穩定性和泛化能力，避免過度擬合，同時，稀疏連接減少了權重參數的總量，有利於神經網路的快速學習，和在計算時減少內存開銷。

卷積神經網路中特徵圖同一通道內的所有像素共享一組卷積核權重系數，該性質被稱為權重共享（weight sharing）。權重共享將卷積神經網路和其它包含局部連接結構的神經網路相區分，後者雖然使用了稀疏連接，但不同連接的權重是不同的。權重共享和稀疏連接一樣，減少了卷積神經網路的參數總量，並具有正則化的效果。

在全連接網路視角下，卷積神經網路的稀疏連接和權重共享可以被視為兩個無限強的先驗（pirior），即一個隱含層神經元在其感受野之外的所有權重系數恆為0（但感受野可以在空間移動）；且在一個通道內，所有神經元的權重系數相同。

G. 哪些神經網路結構會發生權重共享

說的確定應該就是訓練方法吧，神經網路的權值不是人工給定的。而是用訓練集（包括輸入和輸出）訓練，用訓練集訓練一遍稱為一個epoch，一般要許多epoch才行，目的是使得目標與訓練結果的誤差(一般採用均方誤差）小到一個給定的閾值。以上所說是有監督的學習方法，還有無監督的學習方法。

H. 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 。

I. CNN卷積神經網路結構有哪些特點

局部連接，權值共享，池化操作，多層次結構。
1、局部連接使網路可以提取數據的局部特徵；

2、權值共享大大降低了網路的訓練難度，一個Filter只提取一個特徵，在整個圖片(或者語音/文本) 中進行卷積；

3、池化操作與多層次結構一起，實現了數據的降維，將低層次的局部特徵組合成為較高層次的特徵，從而對整個圖片進行表示。

J. 如何理解卷積神經網路中的權值共享

所謂的權值共享就是說，給一張輸入圖片，用一個filter去掃這張圖，filter裡面的數就叫權重，這張圖每個位置是被同樣的filter掃的，所以權重是一樣的，也就是共享。 這么說可能還不太明白，如果你能理解什麼叫全連接神經網路的話，那麼從一個盡量減少參數個數的角度去理解就可以了。 對於一張輸入圖片，大小為W*H，如果使用全連接網路，生成一張X*Y的feature map，需要W*H*X*Y個參數，如果原圖長寬是10^2級別的，而且XY大小和WH差不多的話，那麼這樣一層網路需要的參數個數是10^8~10^12級別。 這么多參數肯定是不行的，那麼我們就想辦法減少參數的個數對於輸出層feature map上的每一個像素，他與原圖片的每一個像素都有連接，每一個鏈接都需要一個參數。但注意到圖像一般都是局部相關的，那麼如果輸出層的每一個像素只和輸入層圖片的一個局部相連，那麼需要參數的個數就會大大減少。假設輸出層每個像素只與輸入圖片上F*F的一個小方塊有連接，也就是說輸出層的這個像素值，只是通過原圖的這個F*F的小方形中的像素值計算而來，那麼對於輸出層的每個像素，需要的參數個數就從原來的W*H減小到了F*F。如果對於原圖片的每一個F*F的方框都需要計算這樣一個輸出值，那麼需要的參數只是W*H*F*F，如果原圖長寬是10^2級別，而F在10以內的話，那麼需要的參數的個數只有10^5~10^6級別，相比於原來的10^8~10^12小了很多很多。