tensorflow（11）CNN

一、CNN的引入：

1.1 传统神经网络（人工全连接网络）存在的问题（当处理图片问题）：

1.）权值太多，计算量太大

2.）权值太多，需要大量的样本进行训练

经验之谈：样本数据量大小是未知参数（权值）的5~30倍。

如：输入一张黑白28*28图片，假设隐层是15个神经元，则参数：784*15=11760个。 如果输入是彩色的，则参数是：3  *784 *15个。输入格式：一维向量。

二、CNN（Convolutional Neural Network）结构：

2.1. 网络实例图：

2.2. 知识图谱：

2.3. 网络层次：

● 输入层：用于数据的输入

● 卷积层：使用卷积核进行特征提取和特征映射

● 激励层：由于卷积也是一种线性运算，因此需要增加非线性映射

● 池化层：进行下采样，对特征图稀疏处理，减少数据运算量。

● 全连接层：通常在CNN的尾部进行重新拟合，减少特征信息的损失

● 输出层：用于输出结果

当然中间还可以使用一些其他的功能层:

● 归一化层（Batch Normalization）：在CNN中对特征的归一化

● 切分层：对某些（图片）数据的进行分区域的单独学习

● 融合层：对独立进行特征学习的分支进行融合

2.4. 模块分析：

• 输入层：全连接输入的是一维向量，CNN保留了图片本身的结构。黑白28 *28，输入是28*28的二维神经元。

RGB时输入：

 

• 卷积层：

理解：卷积层的神经元是只与前一层的部分神经元节点相连，每一条相连的线对应一个权重 w 。

Padding：SAME PADDING和VALID PADDING

作用：使得原信号特征增强，并降低噪音（如，用增强边缘的卷积去处理图像，处理后，边缘特征增强）；

局部感知*参数共享*多核*下采样*多层卷积（层数多，提取的特征越全局化）；

（1.）局部感受野和权值共享：局部？（特征的局部）：颜色局部，文理局部，形状局部 

假设输入的是一个 28×28 的的二维神经元，我们定义5×5 的 一个 local receptive fields（感受视野），即 隐藏层的神经元与输入层的5×5个神经元相连，这个5*5的区域就称之为Local Receptive Fields。

作用：减少了神经网络需训练参数的个数

定义：一个点用其周围的点像素值加权平均代替

意义：加权叠加

作用: 消除噪声，特征增强

实用：平滑

注意：滤波（尺寸不变）和卷积的区别

（2.）Feature Map

定义： 一张图（矩阵）经过卷积核（kernal）卷积运算之后得到的一张新的图（矩阵）。
角度：（同一层）一张图片多种角度的描述。
具体： 用多种不同的卷积核对图像进行卷积Filteri，得到不同核上的响应，作为图像的特征。
下层核：主要是一些简单的边缘检测器（simple cell）；
上层核：主要是一些简单核的叠加（complex cell）
如：
同一层：
Fliter1 的w1,b1 运算后提取的是 形状边缘的特征： feature map1
Fliter2 的w2,b2 运算后提取的是 颜色深浅的特征： feature map2
下一层：
Fliter3 的w3,b3 运算后提取的是 直线形状的特征： feature map3 
Fliter4 的w4,b4 运算后提取的是 弧线形状的特征： feature map4 
Fliter5 的w5,b5 运算后提取的是 红色深浅的特征： feature map5
Fliter6 的w6,b6 运算后提取的是 绿色深浅的特征： feature map6

• 池化层：

Padding：SAME PADDING和VALID PADDING

方式：mean-pooling和max-pooling

作用：降维，还能改善过拟合

卷积和池化都是特征提取

• （端到端）步骤

原始图（input 图）—>卷积和池化输出的是Feature Map—>光栅化—>多层感知机预测（全连接，分类器）—>output

光栅化目的：光栅化后得到的是一个一维的向量为了与传统的多层感知机全连接，最后一个池化层S（完成对原始数据的特征提取）后—>S层的特征数据向量化，连接到相应的分类器。分类器如：SoftMax、BP网络、SVM、等

 

2.5 训练：

定义：参数调优能识别特定的特征，这个过程叫做训练；

不需要人为的修改：卷积核初始化是随机的，是一个自学习的过程，向最优发展；

需要人为的修改：卷积核的个数，步长等；

训练开始，卷积层的滤波器是完全随机，不会对任何特征激活（不能检测任何特征）。所以，反馈修改参数等，达到CNN最优化的检测特定模式。如定义损失函数L，让L反馈给整个网络，修改参数，让Loss最小（使得L变化收敛“碗”）。在训练CNN时，实际上是在训练一系列滤波器，这些滤波器对特定模式有高的激活，以达到CNN分类/检测的目的。