使用CNN卷积神经网络(1)
简单介绍CNN卷积神经网络的概念和原理。
已经了解的小伙伴可以跳转到Tensorflow学习笔记No.4.2学习如和用Tensorflow实现简单的卷积神经网络。
1.CNN简介(概念简介）
卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)是一种前馈神经网络，它的人工神经元可以响应一部分覆盖范围内的周围单元，对于大型图像处理有出色表现。
卷积神经网络通常包含以下几种层：
- 卷积层（Convolutional layer），卷积神经网路中每层卷积层由若干卷积单元组成，每个卷积单元的参数都是通过反向传播算法优化得到的。卷积运算的目的是提取输入的不同特征，第一层卷积层可能只能提取一些低级的特征如边缘、线条和角等层级，更多层的网络能从低级特征中迭代提取更复杂的特征。
- 线性整流层（Rectified Linear Units layer, ReLU layer），这一层神经的活性化函数（Activation function）使用线性整流（Rectified Linear Units, ReLU）。
- 池化层（Pooling layer），通常在卷积层之后会得到维度很大的特征，将特征切成几个区域，取其最大值或平均值，得到新的、维度较小的特征。
- 全连接层（ Fully-Connected layer）, 把所有局部特征结合变成全局特征，用来计算最后每一类的得分。
1.1卷积层(Convolutional layer)
1.1.1局部感知（Local Connectivity）
普通神经网络把输入层和隐含层进行“全连接(Full Connected)“的设计。从计算的角度来讲，相对较小的图像从整幅图像中计算特征是可行的。但是，如果是更大的图像（如 96x96 的图像），要通过这种全联通网络的这种方法来学习整幅图像上的特征，从计算角度而言，将变得非常耗时。
卷积层解决这类问题的一种简单方法是对隐含单元和输入单元间的连接加以限制：每个隐含单元仅仅只能连接输入单元的一部分。每个隐含单元连接的输入区域大小叫R神经元的感受野(receptive field)。
由于卷积层的神经元也是三维的，所以也具有深度。卷积层的参数包含一系列过滤器（filter），每个过滤器训练一个深度，有几个过滤器输出单元就具有多少深度。
具体如下图所示，样例输入单元大小是32×32×3, 输出单元的深度是5, 对于输出单元不同深度的同一位置，与输入图片连接的区域是相同的，但是参数（过滤器）不同。
1.1.2空间排列（Spatial arrangement）
一个输出单元的大小有以下三个量控制：depth, stride 和 zero-padding。
- 深度(depth) : 顾名思义，它控制输出单元的深度，也就是filter的个数，连接同一块区域的神经元个数。又名：depth column
- 步幅(stride)：它控制在同一深度的相邻两个隐含单元，与他们相连接的输入区域的距离。如果步幅很小（比如 stride = 1）的话，相邻隐含单元的输入区域的重叠部分会很多; 步幅很大则重叠区域变少。
- 补零(zero-padding) ： 我们可以通过在输入单元周围补零来改变输入单元整体大小，从而控制输出单元的空间大小。
1.1.3卷积（Convolution）
这里简单介绍一下卷积的工作原理：
考虑一个大小为5×5的图像，和一个3×3的卷积核。这里的卷积核共有9个参数。这种情况下，卷积核实际上有9个神经元，他们的输出又组成一个3×3的矩阵，称为特征图。第一个神经元连接到图像的第一个3×3的局部，第二个神经元则连接到第二个局部（注意，有重叠！就跟你的目光扫视时也是连续扫视一样）。具体如下图所示。
1.2池化层(Pooling Layer)
池化（pool）即下采样（downsamples），目的是为了减少特征图。池化操作对每个深度切片独立，规模一般为 2＊2，相对于卷积层进行卷积运算，池化层进行的运算一般有以下几种：
* 最大池化（Max Pooling）。取4个点的最大值。这是最常用的池化方法。
* 均值池化（Mean Pooling）。取4个点的均值。
* 高斯池化。借鉴高斯模糊的方法。不常用。
* 可训练池化。训练函数 ff ，接受4个点为输入，出入1个点。不常用。
最常见的池化层是规模为2*2， 步幅为2，对输入的每个深度切片进行下采样。每个MAX操作对四个数进行，如下图所示：
池化操作将保存深度大小不变。
如果池化层的输入单元大小不是二的整数倍，一般采取边缘补零（zero-padding）的方式补成2的倍数，然后再池化。
1.3全连接层（Fully-connected layer）
将卷积层与池化层中得到的张量的维度进行变换，转变成可以进行分类的一维数据。
4.2中将介绍如何用Tensorflow实现CNN卷积神经网络。