机器学习——卷积神经网络基础

卷积神经网络（Convolutional Neural Network：CNN）

卷积神经网络是人工神经网络的一种，是一种前馈神经网络。最早提出时的灵感来源于人类的神经元。

通俗来讲，其主要的操作就是：接受输入层的输入信息，通过卷积层，激活层，池化层，进行特征的提取与学习，然后通过全连接层完成对比，将分类结果通过输出层输出。

那么卷积神经网络最重要的任务我认为只有两个：
1.如何从原始数据中更好的学到特征信息。
2.如何将学到的特征更好的映射到标记样本。
这两个任务应该是CNN分类的关键

卷积层

对于输入层和输出层我们没什么好讲的，我们将从卷积层开始，详细了解卷积层，激活层，池化层和全连接层的详细工作原理。

CNN怎么识别

对于这个问题，我们需要引入CNN的识别原理：CNN的识别本质上是一种“局部特征”的对比，也就是说，我们将输入数据的局部与标注的样本数据的局部对比，如果某个或多个局部对比被判定为“匹配”，则认定其输入数据和样本数据属于同一类别。

朴素来讲，我们可以通过直接对图像中的像素和样本数据对比。但是这样通常过于“武断”，比如下面这种情况。

在这里插入图片描述

当我们选取了x图形对角线的像素对比，我们会发现并不相等，所以认定右边的图片不是x图形类别。这显然是不合适，我们需要换一种对比方法。

所以我们会选取一个“像素窗口”，截取一小块像素，把这个小块的区域成为“特征”，对比特征无误则可认定为统一类别。
在这里插入图片描述

卷积层有怎么帮助CNN识别

这里我们需要明确一下这样的几个概念之间的关系
filter滤波器，这个东西实际上是卷积核的集合，而卷积核就是个权重矩阵（二维矩阵）的集合
对于一张RBG图，他的特征层分RBG三层，他通道数就是三个通道。
而且对于滤波器里的一个卷积核来说，他的二维矩阵的数量和通道数是相同的。

如下图所示，蓝色的是图片，黄色的卷积核，绿色的输出的结果（绿色的层数和卷积核的数量相同）
在这里插入图片描述

我们可以看到上面的CNN对比一个重要的点就是“特征”，卷积层可以通过算法操作，学习特征。

我们将图像视为一个三维数组，他的厚度我们称为通道数（特征层数），每一层长宽视为矩阵的大小。在这样的一层上，我们对其添加“滑动窗口”和滤波器。

然后我们通过滤波器中的各个卷积核对图像卷积（对应元素相乘后求和）得到输出矩阵，如下图。
请添加图片描述
显然两个卷积核得到两个输出矩阵，三个特征层对应每个卷积核三个权重矩阵。
至此，一个卷积层的任务结束。

建议再去了解卷积核、滑动窗口这些东西具体代码的关键参数，比如卷积核的一个关键参数就是核尺寸，步幅和步数。

激活层

激活，激活什么，为什么要激活。
我理解为，激活就是激活整个神经网络的表达空间。
为什么要激活，主要还是因为仅仅靠卷积，我们没法有较好的“表达空间”，所以我们需要一个函数来帮我们把卷积层的结果做非线性映射，提升整个神经网络的表达能力。

这种函数包括：ReLU，softmax，sigmoid等。每个函数都有自身的优点，可以适用于不同场景，当然我们对一个网络可以添加多个激活层。

但是每个网络也会有自身的缺点，这些缺点无非都是偏离了激活层的初衷，让卷积层的结果没法逼近一个非线性函数来提高网络的表达能力。

PS：表达能力就可以看做学习分类能力

池化层

池化，简言之，即取区域平均或最大。

还是给定滑动窗口，但是这次只需要直接输出滑动窗口内的最大值或平均值即可，对应池化成为“最大池化”和“平均池化”。

在这里插入图片描述

目的是为了压缩特征，提高效率。

全连接层

建议去看这个博主的博客对全连接层（fully connected layer）的通俗理解

本质就是由一个特征空间线性变换到另一个特征空间。目标空间的任一维——也就是隐层的一个神经元——都认为会受到源空间的每一维的影响。不考虑严谨，可以说，目标向量是源向量的加权和。

全连接层（fully connected layers，FC）在整个卷积神经网络中起到“分类器”的作用。如果说卷积层、池化层和激活函数等操作是将原始数据映射到隐层特征空间的话，全连接层则起到将学到的“分布式特征表示”（下面会讲到这个分布式特征）映射到样本标记空间的作用。在实际使用中，全连接层可由卷积操作实现：

对前层是全连接的全连接层可以转化为卷积核为1x1的卷积；而前层是卷积层的全连接层可以转化为卷积核为hw的全局卷积，hw分别为前层卷积结果的高和宽。

全连接的核心操作就是矩阵向量乘积 y = Wx