卷积神经网络详解

 卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)是应用最多、研究最广的一种神经网络，卷积神经网络（以下简称CNN）主要用于图片分类，自动标注以及产品推荐系统中。以CNN实现图片分类为例，图像经过多个卷积层、池化层复合而成的组件后，实现图像降维并提取到主要特征，最后再利用全连接神经网络实现分类，一个完整CNN实现识别图像的示意图如下：

将一个矩阵用其中元素最大值或平均值代替称为下采样，在CNN中称为数据池化，池化可以有效地实现数据降维；相反从池化后结果再将数据还原称为上采样，CNN实现反向传播时需要先上采样后求参数梯度。CNN的核心是卷积运算，卷积操作可以提取图像不同的特征，当然一个图像的特征有很多，模型后端的全连接神经网络往往以交叉熵作为损失函数，通过交叉熵反馈过来信息，CNN可以调整卷积参数，找到最适合分类的特征数据。

一、卷积神经网络前向传播

1.1 卷积层

    卷积常用表示，根据数据连续与否型分为积分和离散两种形式，积分形式：

    ①

离散形式：

       ②

公式①和②很难对卷积有一个感性的认识，通常介绍卷积时都会以信号处理为例，如下图f(t)是一串输入信号，自变量t代表时间，g(t)称之为系统响应，下图中g(t)代表信号的随时间衰减过程，信号在t=0时信号在t=20后大小为f(0)*g(20),而t=20时信号输出为f(20)*g(0)，显然在t=20时，t=0的信号已经衰减的差不多了。

如果想知道任意一个时刻信号的输出，比如t=10时，信号输出是t=0,1,2,3...10各个输入信号f(t)与g(t)作用汇总后的一个数值，输出信号out可表示为：

上式对应公式②，即离散形式的卷积公式，上式计算过程可用下图来表示：

上图中变量间对应关系有些扭曲，更多时候上图也转化为下图更为形象：

利用卷积运算CNN可实现数据降维：上面的例子中输入信号f(t)是一个向量，通过卷积运算汇总变为一个常量，当输入信号改变，系统响应函数g(t)不变时，不同信号与g(t)卷积后都变成为一个实数，以上图为例，在T=10时可以想象有一面墙，不同输入信号卷积后映射在T=10墙体的不同高度上。

不同高度代表不同输入信号在g(t)下有不同的特性，通过卷积实现了信号的特性分离。在人工智能算法中常将复杂的数据处理成单一的实数，比如利用范数可以把矩阵变为一个实数，利用内积把两个向量距离变为一个实数，泛函分析中将求一个线性算子范数等。CNN处理图像时，上述的信号f(t)可引申为二维像素值，g(t)在CNN中称为卷积核，典型的卷积操作如下图所示：

下图是一个卷积的动态过程：

上面原图是灰度图，只有黑白两色，而彩色图像由三原色构成，二维图像在任意一个点像素为立体三层结构，分别是红色、绿色、蓝色值，该值的范围在0∽255之间，在计算机里用一个无符号的8位数表示，有三层结构彩色图像通常也称为通道数为三层，当输入图为一张3通道彩图时，也可以理解为输入3张二维图，每个二维图通道数是1，所以在CNN里‘通道数’与输入、输出时单通道图片的个数等效。下面展示是对一个三层通道彩色图像卷积过程，这个卷积过程使用了2个卷积核，用于提取图像特定的2个特征，由于图像通道数是3所以每个卷积核也是3层结构。

前面介绍了卷积可以实现降维，接下来介绍卷积如何提取图像或信号特征，图像处理中常利用二阶导数来检测图像的边缘，二维图像可以看成一个二元函数f(x,y),x和y代表像素行坐标与列坐标，函数值代表该点的像素值。在图像的边缘处一般会有颜色交替，表现为函数值一个剧烈变化，函数图如下：

上图a前半段曲线的导数逐渐增大，在红色圆圈处导数开始变小，同时在该点导数值最大，图b显示像素值导数变化，顶端的拐点对应图a中红色标记，再对图b的函数求导即得到原图像的二阶导数如下图：

以上分析可以得出一个结论，在图像的边缘处二阶导数等于0，可以利用这个特性检测图像的边缘：首先生成一张与原图像大小一样的纯黑色图（函数值为0），然后计算每点的二阶导数并与黑色像素值相加得到一个新图片，新图片任意一点像素函数用g(x,y)表示：

g(x,y)=0+▽2f(x,y)=▽2f(x,y) 

上式中▽2f(x,y)代表原图像函数的二阶导数，长*宽的二维图像可通过张量操作变成一个1*（长*宽）一维图形向量，接下来通过一维图像可推导出图像的二阶导数，一维图像导数为：

由此可以得到二阶导数：

f(x+2)与f(x)中间隔了一个像素，我们希望用f(x)附近的像素来近似计算f(x)的二阶导数，上式位置参数x+2，x+1，x都顺次减一个位置可得到二阶导数近似等式（临近像素颜色值很相似，可以这样近似）：

 ⑤

由⑤可得到二维图像的二阶导数：

 (5.1)

上式可以写成：

系数为0的4项：f(x-1,y-1)、f(x+1,y-1)、f(x-1,y+1)、f(x+1,y+1)分别代表f(x,y)45°方向的像素，上式代表图像与下面的卷积核做卷积运算：

这个卷积核也称为拉普拉斯算子，根据上面的推导，用一段代码演示利用拉普拉斯算子卷积得到图像边缘的代码。

import os
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image
#转化为灰度图
def rgb2gray(rgb):
  return np.dot(rgb[:,:,:3], [0.299, 0.587, 0.114])
 
 
def LaplaceConvolution( ):
    img = Image.open('dataset/grass.jpg')
    img = np.array(img)
    grayimg = rgb2gray(img)
    r, c = grayimg.shape
    new_image = np.zeros((r, c))
    #拉普拉斯算子
    L_sunnzi =np.array([[0,1,0],[1,-4,1],[0,1,0]]) 
    for i in range(r-2):
        for j in range(c-2):
            #公式5.1:利用拉普拉斯算子做卷积运算
            #abs取绝对值模拟Relu函数，可得到非线性输出效果
            new_image[i+1, j+1]  =    abs(np.sum(grayimg[i:i+3, j:j+3] * L_sunnzi))
    new_image=np.uint8(new_image)
    plt.subplot(211)
    plt.imshow(grayimg, cmap='Greys_r')
    plt.subplot(212)
    plt.imshow(new_image, cmap='Greys_r')
    plt.show()
if __name__=='__main__':
    img=LaplaceConvolution(  )

卷积前后的图像效果如下：

上面这个例子说明通过卷积可以获得图像的某些特征，CNN会利用多个卷积核来获得图像的多个特征，多个卷积核也称为一组滤波器。上面例子中卷积核是一个矩阵，为什么不叫卷积矩阵呢？'核'是一个立体结构，在CNN中，假设输入特征图高为H，宽度为W，通道数是C;卷积核的高为FH，宽度为FW，卷积核通道数也是C，即卷积核是一个立体结构，由C个权重矩阵复合而成，C个权重矩阵会和输入C个图全部或部分卷积相加后，得到一张通道为1的新的特征图，过程如下图：

卷积需要注意两点：

1) 由于存在激活函数和Dropout机制,有些卷积核权重矩阵并没有被激活，所以卷积核会与上层输入C个图像部分卷积而不是全部。

2) 无论输入图片通道数是多少，卷积后每个特征图通道数都是1，卷积后的每个特征图带有所有或部分上层输入图的特征信息，且输出特征图的个数与卷积核个数相关，有几个卷积核就有几个输出图，称输出特征图的个数为卷积层的通道数、或卷积核的个数，这两个都是一个概念。

    当有多个卷积核时卷积层输出图也是一个立体结构，下图卷积层有FN个卷积核,输出图像维度是OW*OH*FN，需要注意的是上层特征图与卷积核卷积后一般会加上一个偏置项，而每个卷积核偏置项都是一样的，即有FN个卷积核同时就有FN个偏置项：

 

1.2 池化层

    池化(pooling)层是将卷积后的特征图进一步降维、缩小特征图尺寸，池化后对信息是虽然有损失的，但也保证了模型有较好的拟合能力，常见池化示意图如下：

常用池化手段有最大池化法(Max pooling)、平均池化法(Average pooling),最大池化法取池化窗口内最大值作为输出，过程如下图所示：

上图最大值池化法池化窗口为2*2,步长为2，平均池化法则取池化窗口内平均值作为输出。需要注意：当使用最大池化法时要同时记下池化窗口内最大值的位置，在反向传播时，最大值处有相应的梯度值，而在非最大值出梯度为0；另外，池化层没有使用激活函数，池化层输入等于输出。

二、卷积神经网络的反向传播

    卷积神经网络概念最早在80年代就由日本学者福岛邦彦提出，当时借鉴了动物的视觉皮层命名为neocognitron，早期的卷积神经网络并未引入局部感受野、权值共享、反向传播等理念，导致卷积神经网络在识别率上一度被SVM这类感知机吊打，直到Yann LeCun引入现代神经网络技术后CNN才实现了与人类不相上下的识别率,了解CNN反向传播有助于了解其他衍生的卷积神经网络模型如ResNet、GooLeNet、AlexNet等。

    CNN与全连接神经网络一样，损失函数的误差在层与层之间传递，在接下来的章节中还会了解到，有些神经网络模型如循环神经网络(RNN),长短时记忆网络(LSTM)不仅有层与层之间的误差传递，还有时间维度上的误差。CNN卷积过程也可以表达成全连接神经网络类似的方式，下图是三个特征图经过两个卷积核滤波的情形，与全连接神经网络区别是下图中连线代表卷积，每个连线上式卷积核中对应的一个权重矩阵：

反向传播时，假设目前层为l,该层的输入为zl,输出为al,两者关系为：al=σ(zl),σ表示为激活函数，CNN在卷积层常用的激活函数是Relu函数，在之前介绍过：Relu(x)=max{0,x},当x大于0时，Relu函数的导数为1。在神经网络的反向传播中，利用链式法则求任意一层的误差时，需要一直定位到该层的输入端，用公式可表达为：

上式中C代表损失函数，在分类问题中常用softmax函数实现的交叉熵作为损失函数，接下来分三种情况讨论CNN的反向传播。

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