卷积神经网络CNN-学习1

卷积神经网络CNN-学习1

 

　　　　　　十年磨一剑，霜刃未曾试。

 

简介：卷积神经网络CNN学习。

CNN中文视频学习链接：卷积神经网络工作原理视频-中文版

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一、定义

     卷积神经网络（Convolutional Neural Networks）是一种深度学习模型或类似于人工神经网络的多层感知器，常用来分析视觉图像。其创始人Yann LeCun是第一个通过卷积神经网络在MNIST数据集上解决手写数字问题的人。

二、CNN灵感来源？

     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）。

人脑进行人脸识别示例

对于不同的物体，人类视觉也是通过这样逐层分级，来进行如下认知的。

 人类视觉识别示例

      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。于是便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。

三、卷积神经网络解决了什么？

概括来说就是保留图像特征，参数降维，复杂参数简单化。

图像像素RGB

众所周知，图像是由像素构成的，每个像素又是由颜色构成的。现在随随便便一张图片都是 1000×1000 像素以上的， 每个像素都有RGB 3个参数来表示颜色信息。

假如我们处理一张 1000×1000 像素的图片，我们就需要处理3百万个参数！1000×1000×3=3,000,000

这么大量的数据处理起来是非常消耗资源的，卷积神经网络 – CNN 解决的第一个问题就是「将复杂问题简化」，把大量参数降维成少量参数，再做处理。

更重要的是：我们在大部分场景下，降维并不会影响结果。比如1000像素的图片缩小成200像素，并不影响肉眼认出来图片中是一只猫还是一只狗，机器也是如此。

图片数字化的传统方式

      图像简单数字化无法保留图像特征，如上图假如有圆形是1，没有圆形是0，那么圆形的位置不同就会产生完全不同的数据表达。但是从视觉的角度来看，图像的内容（本质）并没有发生变化，只是位置发生了变化。所以当我们移动图像中的物体，用传统的方式的得出来的参数会差异很大！这是不符合图像处理的要求的。而 CNN 解决了这个问题，他用类似视觉的方式【模仿人类大脑视觉原理，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】保留了图像的特征，当图像做翻转，旋转或者变换位置时，它也能有效的识别出来是类似的图像。

四、卷积神经网络的架构

 典型的 CNN 由卷积层、池化层、全连接层3个部分构成：

典型CNN组成部分

更为完善的也有分为如下五个层级结构：

1、数据输入层：Input layer

2、卷积计算层：CONV layer

3、ReLU激励层：ReLU layer

4、池化层：Pooling layer

5、全连接层：FC layer

五、数据输入层

数据输入层主要是对原始图形数据进行数据预处理，包括去均值、归一化、PCA/白化。

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降维度，白化是对数据各个特征轴上的幅度归一化。

去均值&归一化效果图

 去相关与白化效果图

六、卷积计算层

卷积层有两个重要的操作，一个是局部关联，每个神经元看做一个滤波器filter；另一个是窗口滑动，filter对局部数据计算。

卷积层的运算过程如下图，用一个卷积核扫完整张图片：

卷积层动态运算图

卷积层的运算过程，可以当做使用一个过滤器(卷积核)来过滤图像的各个小区域，从而得到这些小区域的特征值，即卷积层通过卷积核的过滤提取出图片中局部的特征。

卷积层运算图

 

卷积层计算过程动图

 七、激励层

激励层是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）。

八、池化层

池化层在连续的卷积层中间，其用于压缩数据和参数的量，减少过拟合。最重要的作用就是保持特性不变，压缩图像，降低数据维度。

      池化层用的方法有Max pooling 和 average pooling，而实际用的较多的是Max pooling。Max pooling思想：对于每个2 * 2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2 * 2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，保持特征不变地降低维度。

Max pooling图

动态池化图

我们可以看到动态池化图中，原始图片是20×20的，我们对其进行下采样，采样窗口为10×10，最终将其下采样成为一个2×2大小的特征图。

九、全连接层

全连接层在卷积神经网络尾部，该层负责输出结果，是最后一步。其跟传统的神经网络神经元的连接方式一样。

全连接层连接方式

 

十、CNN实际应用场景

图像分类/检索、目标定位检测、目标分割、人脸识别、骨骼识别等。

CNN人脸识别

Finally

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十年磨一剑

　　　　霜刃未曾试