Concepts and Tricks In CNN(长期更新)

from http://blog.cvmarcher.com/posts/2015/05/17/cnn-trick/

这篇文章主要讲一下Convolutional Neural Network(CNN)里面的一些概念以及技巧。

Receptive Field (感受野)

这是一个非常重要的概念，receptive field往往是描述两个feature maps A/B上神经元的关系，假设从A经过若干个操作得到B，这时候B上的一个区域areabareab只会跟a上的一个区域相关areaaareaa，这时候areaaareaa成为areabareab的感受野。用图片来表示：

receptive_field.jpg

在上图里面，map 3里1x1的区域对应map 2的receptive field是那个红色的7x7的区域，而map 2里7x7的区域对应于map 1的receptive field是蓝色的11x11的区域，所以map 3里1x1的区域对应map 1的receptive field是蓝色的11x11的区域。

那么很容易得出来，receptive field的计算公式如下：

• 对于Convolution/Pooling layer:

ri=si⋅(ri+1−1)+kiri=si⋅(ri+1−1)+ki

其中riri表示第ii层layer的输入的某个区域，sisi表示第ii层layer的步长，kiki表示kernel size，注意，不需要考虑padding size。

• 对于Neuron layer(ReLU/Sigmoid/…)

ri=ri+1ri=ri+1

Coordinate Mapping

通常，我们需要知道网络里面任意两个feature map之间的坐标映射关系，如下图，我们想得到map 3上的点p3p3映射回map 2所在的位置p2p2。

coordinate_map.jpg

计算公式如下：

• 对于Convolution/Pooling layer:

pi=si⋅pi+1+(ki−12−paddingi)pi=si⋅pi+1+(ki−12−paddingi)

其中pipi表示第ii层layer的输入的某个点，sisi表示第ii层layer的步长，kiki表示kernel size，paddingipaddingi

• 对于Neuron layer(ReLU/Sigmoid/…)

pi=pi+1pi=pi+1

上面是计算任意一个layer输入输出的坐标映射关系，如果是计算任意feature map之间的关系，只需要用简单的组合就可以得到，下图是一个简单的例子：

coordinate_map_example.jpg

Convolutionalize (卷积化)

最近掀起了FCN(全卷积网络)风，这种网络里面不包括全连接层(fully connected layer)。

卷积层跟全连接层的区别

卷积层的操作跟传统的滑窗(sliding windows)很相似，把kernel作用于输入的不同的区域然后产生对应的特征图，由于这样的性质，给定一个卷积层，它并不要求输入是固定大小的，它可能根据输入大小的不同而产生大小不一样的特征图。

sliding-windows.png

全连接层的操作是把输入拉成一个一维的向量，然后对这一维的向量进行点乘，这就要求输入大小是固定的。

那么如果使用一个包含fc层的模型(如AlexNet)就必须使用固定大小的输入，其实有时候这是非常不方便以及不合理的，比如下图，如果我要把红框的塔输入网络，就必须得对它进行变成，假设是放到AlexNet里面，因为输入是224x224，那么就会对图片产生变形。

warp-image.png

那么有没有办法使得网络可以接受任意的输入？实际上是可以的，只需要把全连接层变成卷积层，这就是所谓的卷积化。这里需要证明卷积化的等价性。直观上理解，卷积跟全连接都是一个点乘的操作，区别在于卷积是作用在一个局部的区域，而全连接是对于整个输入而言，那么只要把卷积作用的区域扩大为整个输入，那就变成全连接了，我就不给出形式化定义了。所以我们只需要把卷积核变成跟输入的一个map的大小一样就可以了，这样的话就相当于使得卷积跟全连接层的参数一样多。举个例子，比如AlexNet，fc6的输入是256x6x6，那么这时候只需要把fc6变成是卷积核为6x6的卷积层就好了。