CNN-卷积神经网络_卷积神经网络 filter

卷积运算

卷积运算可划分为三种：Same卷积、Valid卷积、Full卷积(反卷积)。

1. 为什么要padding
   因为在卷积/池化过程中过滤器可能不能将某个方向上的数据刚好处理完

Same卷积

通过Padding填充0运算保证卷积前后特征图大小不变

Valid卷积

不补零，忽略边界，特征图会变小

Full卷积

实现反卷积运算的核心步骤是在特征图中padding 0，然后进行卷积运算使得特征图变大。

FCN反卷积

首先对特征图各神经元之间进行0填充，即上池化；然后再进行卷积运算

卷积层

作用：提取特征
使用：输入数据与卷积核卷积生成卷积层矩阵
卷积层矩阵shape计算：
padding = SAME

	out_h = ceil(in_h/strides[1])
	out_w =  ceil(in_w/strides[2])
1
2

padding = VALID

	out_h = ceil((in_h-f_h+1)/strides[1])
	out_w = ceil((in_w-f_w+1)/strides[2]
1
2

pytorch计算公式：https://blog.csdn.net/a132582/article/details/78658155

特性：参数共享
其他：

1. 卷积时，通常会使用多个卷积核对图片进行卷积，每个卷积核的通道数和输入图片的通道数保持一致，卷积核的个数决定了feature map层的通道数。
2. 感受野：感受野是卷积神经网络每一层输出的特征图（Feature Map）上的像素点在原始图像上映射的区域大小。
3. 卷积层需要指定的超参数：filter个数（K）、filter大小（F）、步长（S）、边界填充（P）
4. 关于卷积核的个数，理论上是初始化套数越多越好，初始化多套卷积核，提取的特征就会多样化，机器学到的东西就更多，有利于提高准确率

激活函数

将卷积层的输出做一次非线性映射，大部分卷积神经网络中，基本都是采用的relu函数
作用：

1. 用来加入非线性因素（实际问题中，样本不一定是线性可分的）
2. 构建稀疏矩阵：可以去除数据中的冗余，最大可能保留数据的特征

常用激活函数

实际模型中最常用的还是RELU，注意学习率的设置以及死亡节点所占的比例即可
$激活函数应该具有的特性$ ：

1. 非线性。
2. 连续可微。梯度下降法的要求
3. 范围最好不饱和。当有饱和的区间段时，若系统优化进入到该阶段，梯度近似为0，网络的学习就会停止
4. 单调性。当激活函数是单调时，单层神经网络的误差是凸的，好优化。
5. 在原点近似线性。这样当权值初始化为接近0的随机值时，网络可以学习的快，不用调节网络的初始值。

$常用的激活函数$ ：
$1、sigmoid函数$

缺点：饱和时梯度值非常小。BP算法方向更新时是以连乘的方式传递到前层，当层数较多时就会使得梯度消失
$2、Tanh函数$

$3、RELU函数$

该函数的提出很大程度上解决了BP算法在优化深层神经网络是的梯度消失问题
优点：x>0时，梯度恒为1，无梯度消失问题，收敛快
增大了网络的稀疏性。x<0时输出为0，稀疏性也大，提取出的特征就越具有代表性，泛化能力越强
缺点：如果后层的某个梯度特别大，导致W更新以后变得特别大，导致该层输出0,成为死亡节点
当学习率比较大时可能会有40%的神经元都会在训练开始就死亡
$4、LeakyRelu函数$

$5、Maxout函数$

池化层

对输入的特征图进行压缩，一方面使特征图变小，简化网络设计复杂度；另一方面进行特征压缩，提取主要特征
池化操作一般有两种：1、avy pooling ，2、max pooling
作用：池化层往往出现在卷积层的后面，通过池化来降低卷积层输出的特征向量，同时改善结果（不易出现过拟合）,那么池化层的作用就是压缩图像
主要功能：通过逐步减小表征的空间尺寸来减小参数量和网络中的计算；池化层在每个特征图上独立操作。使用池化层可以压缩数据和参数的量，减小过拟合
$具体作用$ ：

1. 特征不变性：去掉无关紧要的信息，留下最能表达图像的特征（平移不变性，选择不变性，尺度不变性）
2. 特征降维：去除冗余信息，提取重要的特征
3. 在一定程度上防止过拟合，更方便优化
4. 可以扩大感知野（如何扩大感知野：通过下采样的方法，使得原来的一小块代表更大的区域）

全连接层

连接所有的特征，将输出值送给分类器（比如softmax分类器）

CNN之优缺点

优点：

1. 共享卷积核，对高维数据处理无压力
2. 无需手动选取特征，训练好权重，即得特征分类效果最好
3. 深层次的网络抽取图像信息比较丰富，表达效果好
   缺点：
4. 需要调参，需要大量样本集，训练最好用gpu
5. 物理含义不明确（不知道每个卷积层提取的特征是什么）

卷积神经网络之fine-tuning

fine-tuning:就是使用已用于其他目标、预训练好模型的权重或部分权重，作为初始值开始计算
不用随机选取几个数作为初始权重的原因：

1. 自己从头训练卷积神经网络容易出现问题
2. fine-tuning能很快收敛到一个较理想的状态，省时又省心
   fine-tuning的具体做法：
3. 复用相同层的权重，新定义层取随机权重初始值
4. 调大新定义层的学习率，调小复用层的学习率