卷积神经网络各层解析（一）

转载：https://blog.csdn.net/glory_lee/article/details/77899465

在刚刚接触CNN和caffe之后，也对CNN当中的各类layers做了简单的了解。但对于各个层具体是如何进行运算的，其实并不是特别了解。最近调完实验后，下一步就要进行调参和调网络的工作，所以就准备在这个时间深入地了解一下。主要针对conv层、全连接层、pooling层，另外稍带介绍了CNN中的激活函数Relu。文章主要参考了零基础入门深度学习（4）中的内容，并根据本人对于CNN的理解进行了部分修改。

本文将详细介绍卷积神经网络以及它的训练算法，以及动手实现一个简单的卷积神经网络。

一个新的激活函数：Relu

最近几年卷积神经网络中，激活函数往往不选择sigmoid或tanh函数，而是选择relu函数。Relu函数的定义是：

Relu函数图像如下图所示：

Relu函数作为激活函数，有下面几大优势：

稀疏性 通过对大脑的研究发现，大脑在工作的时候只有大约5%的神经元是激活的，而采用sigmoid激活函数的人工神经网络，其激活率大约是50%。有论文声称人工神经网络在15%-30%的激活率时是比较理想的。因为relu函数在输入小于0时是完全不激活的，因此可以获得一个更低的激活率。

全连接网络 VS 卷积网络

全连接神经网络之所以不太适合图像识别任务，主要有以下几个方面的问题：

参数数量太多

考虑一个输入1000*1000像素的图片(一百万像素，现在已经不能算大图了)，输入层有1000*1000=100万节点。假设第一个隐藏层有100个节点(这个数量并不多)，那么仅这一层就有(1000*1000+1)*100=1亿参数，这实在是太多了！我们看到图像只扩大一点，参数数量就会多很多，因此它的扩展性很差。

没有利用像素之间的位置信息

对于图像识别任务来说，每个像素和其周围像素的联系是比较紧密的，和离得很远的像素的联系可能就很小了。如果一个神经元和上一层所有神经元相连，那么就相当于对于一个像素来说，把图像的所有像素都等同看待，这不符合前面的假设。当我们完成每个连接权重的学习之后，最终可能会发现，有大量的权重，它们的值都是很小的(也就是这些连接其实无关紧要)。努力学习大量并不重要的权重，这样的学习必将是非常低效的。

网络层数限制

我们知道网络层数越多其表达能力越强，但是通过梯度下降方法训练深度全连接神经网络很困难，因为全连接神经网络的梯度很难传递超过3层。因此，我们不可能得到一个很深的全连接神经网络，也就限制了它的能力。

那么，卷积神经网络又是怎样解决这个问题的呢？主要有三个思路：

局部连接：这个是最容易想到的，每个神经元不再和上一层的所有神经元相连，而只和一小部分神经元相连。这样就减少了很多参数。
权值共享：一组连接可以共享同一个权重，而不是每个连接有一个不同的权重，这样又减少了很多参数。
下采样：可以使用Pooling来减少每层的样本数，进一步减少参数数量，同时还可以提升模型的鲁棒性。

对于图像识别任务来说，卷积神经网络通过尽可能保留重要的参数，去掉大量不重要的参数，来达到更好的学习效果。

接下来，我们将详述卷积神经网络到底是何方神圣。

卷积神经网络是啥

首先，我们先获取一个感性认识，下图是一个卷积神经网络的示意图：

网络架构

如图1所示，一个卷积神经网络由若干卷积层、Pooling层、全连接层组成。你可以构建各种不同的卷积神经网络，它的常用架构模式为：

INPUT -> [[CONV]*N -> POOL?]*M -> [FC]*K

也就是N个卷积层叠加，然后(可选)叠加一个Pooling层，重复这个结构M次，最后叠加K个全连接层。

对于图1展示的卷积神经网络：

INPUT -> CONV -> POOL -> CONV -> POOL -> FC -> FC

按照上述模式可以表示为：

INPUT -> [[CONV]*1 -> POOL]*2 -> [FC]*2

也就是：N=1, M=2, K=2。

三维的层结构

从图1我们可以发现卷积神经网络的层结构和全连接神经网络的层结构有很大不同。全连接神经网络每层的神经元是按照一维排列的，也就是排成一条线的样子；而卷积神经网络每层的神经元是按照三维排列的，也就是排成一个长方体的样子，有宽度、高度和深度。

对于图1展示的神经网络，我们看到输入层的宽度和高度对应于输入图像的宽度和高度，而它的深度为1。接着，第一个卷积层对这幅图像进行了卷积操作(后面我们会讲如何计算卷积)，得到了三个Feature Map。这里的”3”可能是让很多初学者迷惑的地方，实际上，就是这个卷积层包含三个Filter，也就是三套参数，每个Filter都可以把原始输入图像卷积得到一个Feature Map，三个Filter就可以得到三个Feature Map。至于一个卷积层可以有多少个Filter，那是可以自由设定的。也就是说，卷积层的Filter个数也是一个超参数。我们可以把Feature Map可以看做是通过卷积变换提取到的图像特征，三个Filter就对原始图像提取出三组不同的特征，也就是得到了三个Feature Map，也称做三个通道(channel)。

继续观察图1，在第一个卷积层之后，Pooling层对三个Feature Map做了下采样(后面我们会讲如何计算下采样)，得到了三个更小的Feature Map。接着，是第二个卷积层，它有5个Filter。每个Fitler都把前面下采样之后的3个Feature Map卷积在一起，得到一个新的Feature Map。这样，5个Filter就得到了5个Feature Map。接着，是第二个Pooling，继续对5个Feature Map进行下采样，得到了5个更小的Feature Map。

图1所示网络的最后两层是全连接层。第一个全连接层的每个神经元，和上一层5个Feature Map中的每个神经元相连，第二个全连接层(也就是输出层)的每个神经元，则和第一个全连接层的每个神经元相连，这样得到了整个网络的输出。

至此，我们对卷积神经网络有了最基本的感性认识。接下来，我们将介绍卷积神经网络中各种层的计算和训练。

卷积神经网络输出值的计算

卷积层输出值的计算

我们用一个简单的例子来讲述如何计算卷积，然后，我们抽象出卷积层的一些重要概念和计算方法。

假设有一个5*5的图像，使用一个3*3的filter进行卷积，想得到一个3*3的Feature Map，如下所示：

为了清楚的描述卷积计算过程，我们首先对图像的每个像素进行编号，用Xi,j表示图像的第行第列元素；对filter的每个权重进行编号，用Wm,n表示第m行第n列权重，用Wb表示filter的偏置项；对Feature Map的每个元素进行编号，用ai,j表示Feature Map的第i行第j列元素；用f表示激活函数(这个例子选择relu函数作为激活函数)。然后，使用下列公式计算卷积：

例如，对于Feature Map左上角元素来说，其卷积计算方法为：

计算结果如下图所示：

接下来，Feature Map的元素的卷积计算方法为：

计算结果如下图所示：

可以依次计算出Feature Map中所有元素的值。下面的动画显示了整个Feature Map的计算过程：

上面的计算过程中，步幅(stride)为1。步幅可以设为大于1的数。例如，当步幅为2时，Feature Map计算如下：

我们注意到，当步幅设置为2的时候，Feature Map就变成2*2了。这说明图像大小、步幅和卷积后的Feature Map大小是有关系的。事实上，它们满足下面的关系：

在上面两个公式中，W2是卷积后Feature Map的宽度；W1是卷积前图像的宽度；F是filter的宽度；P是Zero Padding数量，Zero Padding是指在原始图像周围补几圈0，如果P的值是1，那么就补1圈0；S是步幅；H2是卷积后Feature Map的高度；H1是卷积前图像的宽度。式2和式3本质上是一样的。

以前面的例子来说，图像宽度W1=5，filter宽度F=3，Zero PaddingP=0，步幅S=2，则

说明Feature Map宽度是2。同样，我们也可以计算出Feature Map高度也是2。

前面我们已经讲了深度为1的卷积层的计算方法，如果深度大于1怎么计算呢？其实也是类似的。如果卷积前的图像深度为D，那么相应的filter的深度也必须为D。我们扩展一下式1，得到了深度大于1的卷积计算公式：

在式4中，D是深度；F是filter的大小(宽度或高度，两者相同)；Wd,m,n表示filter的第层第m行第n列权重；ad,I,j表示图像的第d层第i行第j列像素；其它的符号含义和式1是相同的，不再赘述。

我们前面还曾提到，每个卷积层可以有多个filter。每个filter和原始图像进行卷积后，都可以得到一个Feature Map。因此，卷积后Feature Map的深度(个数)和卷积层的filter个数是相同的。

下面的动画显示了包含两个filter的卷积层的计算。我们可以看到7*7*3输入，经过两个3*3*3filter的卷积(步幅为2)，得到了3*3*2的输出。另外我们也会看到下图的Zero padding是1，也就是在输入元素的周围补了一圈0。Zero padding对于图像边缘部分的特征提取是很有帮助的。

以上就是卷积层的计算方法。这里面体现了局部连接和权值共享：每层神经元只和上一层部分神经元相连(卷积计算规则)，且filter的权值对于上一层所有神经元都是一样的。对于包含两个3*3*3的fitler的卷积层来说，其参数数量仅有(3*3*3+1)*2=56个，且参数数量与上一层神经元个数无关。与全连接神经网络相比，其参数数量大大减少了。

用卷积公式来表达卷积层计算

不想了解太多数学细节的读者可以跳过这一节，不影响对全文的理解。

式4的表达很是繁冗，最好能简化一下。就像利用矩阵可以简化表达全连接神经网络的计算一样，我们利用卷积公式可以简化卷积神经网络的表达。

下面我们介绍二维卷积公式。

设矩阵A，B，其行、列数分别为ma、na、mb、nb，则二维卷积公式如下：