计算机视觉之人脸学习（三）

1.深度学习发展迅猛的原因

（1）数据规模的加大，比较著名的就是imageNet

（2）算力：GPU+深度学习芯片使计算机算力大大的提高，使得我们搭建深的网络结构提供了可能

（3）算法：在分类，检测，分割等领域深度学习取得了非常大的进展

2.常见的深度学习模型

（1）卷积神经网（CNN）：解决图像，语音数据

（2）循环神经网（RNN）：解决序列上的任务，文本数据

（3）自动编码机(Autoencoder)

（4）Restricted Boltzmann Machines(RBM,受限波尔兹曼机）

（5）深度信念网络(DBN,Deep Belief Network)

3.什么是卷积神经网

    以卷积结构为主，搭建起来的深度网络

     .将图片作为网络的输入（图片一般为[n,h,w,c]的数据矩阵),自动提取特征（参数优化的过程，前向运算的结果可以认为是一个特征向量，这个向量是多维的)，并且对图片的变形（如平移，比例缩放，倾斜）等具有高度不变性（对人脸图片缩放旋转经过网络依然判断为人脸，这组参数也是我们需要学到的参数）。

上图是一副 卷积神经网络的结构图，输入是一副车辆图像，目的是对这张图像进行分类，分类之前我们会经过一个卷积神经网，通过卷积神经网进行特征提取，最终的输出为预测的结果，这里是一个五维的向量，我们可以将这五维的向量作为当前这辆车的特征向量，是这辆车在这五个类别的概率，图像属于概率值最高的类别，这样我们就完成了对这辆车的分类。

4.卷积神经网的重要组成单元

(1)卷积层

卷积：对图像和滤波矩阵做内积（逐个元素相乘再求和）的操作，滤波矩阵我们称为卷积核，我们可以将卷积理解为滤波器，我们可以通过滤波器对图像进行降噪，去掉高频信息，保留低频信息或者去掉低频信息，保留高频信息等。在图像降噪中，我们可以采用均值滤波器来去掉图像中的一些噪声，这里我们定义一个[1/3,1/3,1/3]这样的均值滤波器，对图像从左到右，从上到下进行扫描，扫描时我们每次从图像上取1*3同滤波器大小一样的窗口，我们用这个窗口与我们的滤波器做内积操作，实际上就是对窗口的像素点求均值，同样的，我们也可以用滤波器边缘提取，比如我们想要提取图像在水平方向上的梯度（水平方向上的纹理），如何进行图像梯度的运算，实际上就是对图像数据进行差分。不同的卷积核参数就意为着我们在利用卷积对图像进行运算的时候，我们就会提取出不同的特征，也就是说每一种卷积对应一种特征。

当我们步长为1时，会发现得出的特征图与原图大小不一致，当窗口滑动是不会超出原图的边界，所以得出的特征图会比原图小，如果想让特征图和原图大小保持一致，我们可以再原图上下左右都补一行0（zero padding），补0比原来没有添0 的情况下进行卷积，从左到右，从上到下都多赚了2次卷积，这样卷积层输出的特征图（feature map）仍然和输入图片的大小一致。好处：我们可以得到更多的特征信息，也可以控制卷积层输出的特征图的大小。在实际运算时，我们会将图像转化成矢量运算，直接通过矩阵相乘得到卷积结果。

（2）卷积中重要参数

.卷积核：最常用为2D卷积核（w*h),w*h所对应的是权值项，另外我们还有一个偏置项，常用卷积核：1*1，3*3，5*5，7*7。奇数的卷积核有中心点，可以找到与原始图像对应的点即保护位置信息。

.权值共享与局部连接：卷积运算作用在局部，局部区域我们理解为局部感受野，当我们的卷积核大小为3*3,那我们局部感受野就为3*3，feature map使用同一个卷积核运算后得到一种特征，每一个局部区域所对应的卷积核的参数的权值是相同的（权值共享），多种特征采用多个卷积核。具体是多少种卷积核，取决于num out(即输出的通道数量）。输入层和输出层是局部连接。全连接是隐藏层的点与输出层的节点都有连接关系的。局部连接降低了参数量。采用权值共享，我们的参数量只与卷积核相关。参数量越少，意味着我们的模型不容易过拟合。

.感受野：卷积核的大小就对应着感受野的大小，卷积核越大，包含的信息就越多，可能学到的信息就越多，但不意味着卷积核越大，最终的结果不一定好，因为卷积核越大，参数量越大，计算量越大。采用小的卷积核实现大的感受野：卷积核堆加。2个3*3对应1个5*5,3个3*3对应一个7*7。对于n*n的图像，采用3*3的卷积核，输出的图像为(n-2)*(n-2).采用5*5的卷积核，输出的图像为(n-4)*(n-4)。好处参数量降低了。通过网络加深，我们在层与层之间，插入一些非线性的层，使我们网络非线性的表达能力更加的强，我们网络在描述一个事物的表达能力更强。

.如何计算卷积参数量：（k_w*k_h*in_channel+1)*out_channel。(k_w*k_h:卷积核的大小，in_channel:输入层的通道数，1：偏置项）

.如何计算卷积的计算量（算法的效率）：In_w*In_h*(k_w*k_h*in_channel+1)*out_channel

.步长（stride）：采样的间隔，即卷积核移动的格子，设置不同的步长，输出的feature map的大小不同，输出的大小：（N-F)/stride+1(F为卷积核大小），步长与参数量无关，但对计算量会变化。输出的特征图大小越小，计算量就越小。

.pad:对特征图的周围进行填充，确保feature map整数倍变化，对尺度相关的任务尤为重要。例如：F=3->zero pad with1;f=5->zero pad with 2;F=7->zero pad with 3;参数量不变，计算量增加。

（3）卷积的定义和使用（tensorflow）

 采用tf.nn.conv2d(),我们需要自己定义权值项和偏置项（内容和shape）以及初始化的方法，在使用卷积的时候，我们将输入的数据，卷积核的参数，strides和padding的参数作为参数，得到的结果单独的和偏置项相加。

采用slim.conv2d定义卷积层会更加的方便，参数是输入的数据，输出的通道的数量，卷积核的大小。

（4）池化：对输入的特征图进行压缩，使特征图变小，简化网络计算复杂度，进行特征压缩，提取主要特征，增大感受野。有两种方式：Max pooling,Avg pooling。Max pooling是指滑动窗口（跟卷积层的的差不多），取窗口内的最大值为输出值，如果是Avg pooling则取窗口内的平均值，移动窗口的步长为2，则feature map大小减半。池化层是无参的，即反向传播是不会对池化层进行优化的。

（5）激活函数：增加网络的非线性，进而提升网络的表达能力。当输入小于0时，单层的感知机是没有相应的，当输入大于0时，神经元输出为1，即当输入大于0这个节点才会被激活，所以这个函数称为激活函数，但是这个函数不可导，不能使用梯度下降进行优化

Sigmoid激活函数

 特点：输入等于0时输出为0.5，输出最大值为1，最小值趋于0，将输出压缩在（0-1）的范围（可以表达概率），缺点：当输入负无穷或正无穷时，激活函数的导数为0，参数会长时间得不到更新，造成梯度离散，输出不是以0为中心。

Tanh激活函数（在RNN循环神经网络中用的比较多，输出的范围（-1，1））

ReLu激活函数（Rectified Linear Unit)深度学习用的最多的激活函数 

输入小于0时不响应，大于0时线性的相应。当输入小于0时梯度为0，输入大于0时梯度为1，正数时不存在梯度饱和，但输入不能使用负数。因此做向后传播时，梯度计算非常方便，对搜索最优解减少梯度离散和梯度爆炸的情况

（6）BatchNorm层：通过一定的规范化手段，把每层神经网络任意神经元这个输入值的分布强行拉回到均值为0方差为1的标准正态分布。流程：

首先对于一个小批量数据(mini-batch )进行均值的求解，再进行方差的计算，利用均值和方差对样本进行规范化，利用规范化 的结果计算输出，输出乘以尺度与偏移量得到最终结果。

原因：对于输入的数据，我们不进行规范化的话，我们在训练的过程中每一层的数据分布是一直在变化的，这对于我们网络的收敛非常不利的。

优点：（1）减少了参数的人为选择，可以取消Dropout和L2正则项参数，或者采取更小的L2正则项约束参数

            （2）减少了对学习率的要求，收敛速度会变快

            （3）可以不再使用局部响应归一化，BN本身就是归一化网络（局部响应归一化——AlexNet）

             （4）破坏原来的数据分布（数据加入了噪声），一定程度上缓解过拟合

使用：

 

使用时，训练时定义training=True，测试时，training=False，并且配合get_cellection来对参数进行更新。

（7）全连接层：连接所有的特征，将输出值送到分类器（如softmax分类器），将网络的输出变成一个向量，可以采用卷积（卷积核大小为1*1）代替全连接层，全连接层是尺度敏感的，配合使用Dropout层。我们需要定义全连接层输出的个数，节点的个数是全连接层的超参数，完成线性变换的过程得到一个向量，我们可以赋予向量不同的涵义，如果我们将结果定义为类别的概率分布，我们的网络就可以完成分类的任务。全连接层也可以完成特征提取。

（8）Dropout层：在训练过程中，随机的丢掉一部分输入，将某些参数置0，此时丢弃部分对应的参数不会更新，解决过拟合问题，取平均的作用，减少神经元之间的依赖，因为我们每次都随机的去掉一些节点。

（9）loss层：损失函数：用来评估模型的预测值和真实值的不一致程度。常见：交叉熵损失，softmax loss等

      损失层定义了使用的损失函数，通过最小化损失来驱动网络的训练。网络的损失通过前向操作计算，网络参数相对于损失函数的梯度则通过反向操作计算。

分类任务损失：交叉熵损失

回归任务损失：L1损失，L2损失

（10）交叉熵损失：源于逻辑回归似然（已知结果反推原因），非负性，保证真实输出与期望输出接近时，损失为0，二分类损失函数定义式为：

a是真实输出的结果，y是实际标签，a=0.5时，C最大。

熵：对信息量化的概念，定义了事件不确定程度，不确定越大，熵越大。

实现：

对于softmax loss,它用的标签是one-hot编码的。而sparse的标签不需要编码。在使用交叉熵损失函数时，我们得到的结果不需要经过softmax，直接输入到损失函数就好。

（11）L1，L2，Smooth L1损失：

Smooth L1是L1和L2的变形，用于Faster RCNN,SSD等网络计算损失。

L1在0那里不可导，L2在0处可导。