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人类视觉原理

深度学习的许多研究成果，离不开对大脑认知原理的研究，尤其是视觉原理的研究。

1981 年的诺贝尔医学奖，颁发给了 David Hubel（出生于加拿大的美国神经生物学家） 和TorstenWiesel，以及 Roger Sperry。前两位的主要贡献，是“发现了视觉系统的信息处理”，可视皮层是分级的。

人类的视觉原理如下：从原始信号摄入开始（瞳孔摄入像素 Pixels），接着做初步处理（大脑皮层某些细胞发现边缘和方向），然后抽象（大脑判定，眼前的物体的形状，是圆形的），然后进一步抽象（大脑进一步判定该物体是只气球）。下面是人脑进行人脸识别的一个示例：

我们可以看到，在最底层特征基本上是类似的，就是各种边缘，越往上，越能提取出此类物体的一些特征（轮子、眼睛、躯干等），到最上层，不同的高级特征最终组合成相应的图像，从而能够让人类准确的区分不同的物体。

那么我们可以很自然的想到：可以不可以模仿人类大脑的这个特点，构造多层的神经网络，较低层的识别初级的图像特征，若干底层特征组成更上一层特征，最终通过多个层级的组合，最终在顶层做出分类呢？答案是肯定的，这也是许多深度学习算法（包括CNN）的灵感来源。

从神经网络到卷积神经网络（CNN）

我们知道神经网络的结构是这样的：

那卷积神经网络跟它是什么关系呢？
其实卷积神经网络依旧是层级网络，只是层的功能和形式做了变化，可以说是传统神经网络的一个改进。比如下图中就多了许多传统神经网络没有的层次。

卷积神经网络的层级结构
• 数据输入层/ Input layer
• 卷积计算层/ CONV layer
• ReLU激励层 / ReLU layer
• 池化层 / Pooling layer
• 全连接层 / FC layer

注意看，上图，卷积层（CONV）和激励层（RELU）以及池化层（POOL）是反复交错的。

降低参数量级
综合起来说，CNN通过卷积来模拟特征区分，并且通过卷积的权值共享及池化，来降低网络参数的数量级，最后通过传统神经网络完成分类等任务。
如果我们使用传统神经网络方式，对一张图片进行分类，那么，我们把图片的每个像素都连接到隐藏层节点上，那么对于一张1000x1000像素的图片，如果我们有1M隐藏层单元，那么一共有10^12个参数，这显然是不能接受的。（如下图所示）

但是我们在CNN里，可以大大减少参数个数，我们基于以下两个假设：
1）最底层特征都是局部性的，也就是说，我们用10x10这样大小的过滤器就能表示边缘等底层特征。
2）图像上不同小片段，以及不同图像上的小片段的特征是类似的，也就是说，我们能用**同样的一组分类器（filter）**来描述各种各样不同的图像。

基于以上两个，假设，我们就能把第一层网络结构简化如下：

我们用100个10x10的小过滤器，就能够描述整幅图片上的底层特征。

数据输入层

该层要做的处理主要是对原始图像数据进行预处理，其中包括：
• 去均值：把输入数据各个维度都中心化为0，如下图所示，其目的就是把样本的中心拉回到坐标系原点上。
• 归一化：幅度归一化到同样的范围，如下所示，即减少各维度数据取值范围的差异而带来的干扰，比如，我们有两个维度的特征A和B，A范围是0到10，而B范围是0到10000，如果直接使用这两个特征是有问题的，好的做法就是归一化，即A和B的数据都变为0到1的范围。
• PCA/白化：用PCA降维；白化是对数据各个特征轴上的幅度归一化

去均值与归一化效果图：

去相关与白化效果图：

数据输入层的内容我们点到为止，具体方法和理论以后有机会再深入了解。

卷积计算层

这一层就是卷积神经网络最重要的一个层次，也是“卷积神经网络”的名字来源。
在这个卷积层，有两个关键操作：
• 局部关联。每个神经元看做一个滤波器(filter)
• 窗口(receptive field)滑动， filter对局部数据计算

先介绍卷积层遇到的几个名词：
• 深度/depth
• 步长/stride （窗口一次滑动的长度）
• 填充值/zero-padding

填充值是什么呢？以下图为例子，比如有这么一个55的图片（一个格子一个像素），我们滑动窗口取22，步长取2，那么我们发现还剩下1个像素没法滑完，那怎么办呢？

那我们在原先的矩阵加了一层填充值，使得变成6*6的矩阵，那么窗口就可以刚好把所有像素遍历完。这就是填充值的作用。

卷积的计算

这里的蓝色矩阵就是输入的图像，粉色矩阵就是卷积层的神经元，这里表示了有两个神经元（w0,w1）。绿色矩阵就是经过卷积运算后的输出矩阵，这里的步长设置为2。

蓝色的矩阵(输入图像)对粉色的矩阵（filter）进行矩阵内积计算并将三个内积运算的结果与偏置值b相加（比如上面图的计算：2+（-2+1-2）+（1-2-2） + 1= 2 - 3 - 3 + 1 = -3），计算后的值就是绿框矩阵的一个元素。

下面是计算的动态图：
https://img2018.cnblogs.com/blog/1093303/201901/1093303-20190120113539659-455066516.gif

参数共享机制

在卷积层中每个神经元连接数据窗的权重是固定的，每个神经元只关注一个特性。神经元就是图像处理中的滤波器，比如边缘检测专用的Sobel滤波器，即卷积层的每个滤波器都会有自己所关注一个图像特征，比如垂直边缘，水平边缘，颜色，纹理等等，这些所有神经元加起来就好比就是整张图像的特征提取器集合。

上面说到，对图像的滤波处理就是对图像应用一个小小的卷积核，那这个小小的卷积核到底有哪些魔法，能让一个图像从惨不忍睹变得秀色可餐。下面我们一起来领略下一些简单但不简单的卷积核的魔法。

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• 啥也不做

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• 图像锐化滤波器Sharpness Filter

图像的锐化和边缘检测很像，首先找到边缘，然后把边缘加到原来的图像上面，这样就强化了图像的边缘，使图像看起来更加锐利了。这两者操作统一起来就是锐化滤波器了，也就是在边缘检测滤波器的基础上，再在中心的位置加1，这样滤波后的图像就会和原始的图像具有同样的亮度了，但是会更加锐利。

我们把核加大，就可以得到更加精细的锐化效果

另外，下面的滤波器会更强调边缘：

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• 边缘检测

我们要找水平的边缘：需要注意的是，这里矩阵的元素和是0，所以滤波后的图像会很暗，只有边缘的地方是有亮度的。

为什么这个滤波器可以寻找到水平边缘呢？因为用这个滤波器卷积相当于求导的离散版本：你将当前的像素值减去前一个像素值，这样你就可以得到这个函数在这两个位置的差别或者斜率。下面的滤波器可以找到垂直方向的边缘，这里像素上和下的像素值都使用：

下面这个滤波器就可以检测所有方向的边缘:

激励层

把卷积层输出结果做非线性映射。

CNN采用的激励函数一般为ReLU(The Rectified Linear Unit/修正线性单元)，它的特点是收敛快，求梯度简单，但较脆弱，图像如下。

池化层

池化层夹在连续的卷积层中间， 用于压缩数据和参数的量，减小过拟合。
简而言之，如果输入是图像的话，那么池化层的最主要作用就是压缩图像。

1. 特征不变性，也就是我们在图像处理中经常提到的特征的尺度不变性，池化操作就是图像的resize，平时一张狗的图像被缩小了一倍我们还能认出这是一张狗的照片，这说明这张图像中仍保留着狗最重要的特征，我们一看就能判断图像中画的是一只狗，图像压缩时去掉的信息只是一些无关紧要的信息，而留下的信息则是具有尺度不变性的特征，是最能表达图像的特征。

2. 特征降维，我们知道一幅图像含有的信息是很大的，特征也很多，但是有些信息对于我们做图像任务时没有太多用途或者有重复，我们可以把这类冗余信息去除，把最重要的特征抽取出来，这也是池化操作的一大作用。

3. 在一定程度上防止过拟合，更方便优化。

池化层用的方法有Max pooling 和 average pooling，而实际用的较多的是Max pooling。

这里就说一下Max pooling，其实思想非常简单。

对于每个22的窗口选出最大的数作为输出矩阵的相应元素的值，比如输入矩阵第一个22窗口中最大的数是6，那么输出矩阵的第一个元素就是6，如此类推。

全连接层

两层之间所有神经元都有权重连接，通常全连接层在卷积神经网络尾部。也就是跟传统的神经网络神经元的连接方式是一样的：

一般CNN结构依次为
　　1. INPUT
　　2. [[CONV -> RELU]*N -> POOL?]*M
　　3. [FC -> RELU]*K
　　4. FC

CNN优缺点

卷积神经网络之优缺点
优点
　　• 共享卷积核，对高维数据处理无压力
　　• 无需手动选取特征，训练好权重，即得特征分类效果好
缺点
　　• 需要调参，需要大样本量，训练最好要GPU
　　• 物理含义不明确（也就说，我们并不知道没个卷积层到底提取到的是什么特征，而且神经网络本身就是一种难以解释的“黑箱模型”）

卷积神经网络的常用框架

Caffe
　　• 源于Berkeley的主流CV工具包，支持C++,python,matlab
　　• Model Zoo中有大量预训练好的模型供使用
Torch
　　• Facebook用的卷积神经网络工具包
　　• 通过时域卷积的本地接口，使用非常直观
　　• 定义新网络层简单
TensorFlow
　　• Google的深度学习框架
　　• TensorBoard可视化很方便
　　• 数据和模型并行化好，速度快

参考资料：
https://www.cnblogs.com/alexcai/p/5506806.html
https://www.cnblogs.com/skyfsm/p/6790245.html
http://www.cnblogs.com/Ponys/p/3428270.html
https://blog.csdn.net/linlang1536/article/details/78925115