ElitesAI·动手学深度学习PyTorch版-第五次打卡
1、卷积神经网络基础：
1.1 二维卷积操作：
二维互相关（cross-correlation）运算的输入是一个二维输入数组和一个二维核（kernel）数组，输出也是一个二维数组，其中核数组通常称为卷积核或过滤器（filter）。卷积核的尺寸通常小于输入数组，卷积核在输入数组上滑动，在每个位置上，卷积核与该位置处的输入子数组按元素相乘并求和，得到输出数组中相应位置的元素。图1展示了一个互相关运算的例子，阴影部分分别是输入的第一个计算区域、核数组以及对应的输出。
其中。卷积核为2✖2.输入为3×3，步长为1，所以得到的输出为2×2.
卷积层得名于卷积运算，但卷积层中用到的并非卷积运算而是互相关运算。我们将核数组上下翻转、左右翻转，再与输入数组做互相关运算，这一过程就是卷积运算。由于卷积层的核数组是可学习的，所以使用互相关运算与使用卷积运算并无本质区别。
1.2 特征图与感受野
二维卷积层输出的二维数组可以看作是输入在空间维度（宽和高）上某一级的表征，也叫特征图（feature map）（简单来说就是通过卷积得到的结果向量）
影响元素的前向计算的所有可能输入区域（可能大于输入的实际尺寸）叫做的感受野（receptive field）（简单来说就是卷积操作的输入的所有向量）
以上图为例，输入X中阴影部分的四个元素是输出Y中阴影部分元素的感受野。我们将图中形状为2×2的输出记为Y，将与另一个形状为2×2的核数组做互相关运算，输出单个元素Z。那么，Z在Y上的感受野包括Y的全部四个元素，在输入上的感受野包括其中全部9个元素。可见，我们可以通过更深的卷积神经网络使特征图中单个元素的感受野变得更加广阔，从而捕捉输入上更大尺寸的特征。
1.3 填充（padding）和步幅（stride）
填充就是在进行卷积运算之后，都会对输入进行降维，但是有时候图像的边缘信息同样很重要，所以我们需要使用padding的技术。也就是保证边缘信息。对图像周围像素进行扩充补0操作，使得卷积操作之后维度仍然与图片原尺寸一致。
通过这种填充可知，我们可以通过padding和stride将输出·图片的尺寸变换为许多指定尺寸的输出。
1.4 多输入通道和多输出通道
多输入通道
卷积层的输入可以包含多个通道，图4展示了一个含2个输入通道的二维互相关计算的例子。
注意：只有在最后一层和全连接层连接时，才会将所有的卷积核得到的值相加（这一句有一些表述不当，等我什么时候再做修改）
1.5 卷积核为1
2、LeNet
使用全连接层的局限性：
- 图像在同一列邻近的像素在这个向量中可能相距较远。它们构成的模式可能难以被模型识别。
- 对于大尺寸的输入图像，使用全连接层容易导致模型过大。
使用卷积层的优势：
- 卷积层保留输入形状。
- 卷积层通过滑动窗口将同一卷积核与不同位置的输入重复计算，从而避免参数尺寸过大。
2.1 lenet模型示意图
2.2 模型的pytorch的简单实现
import sys
sys.path.append("/home/kesci/input")
import d2lzh1981 as d2l
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import time
#net
class Flatten(torch.nn.Module): #展平操作
def forward(self, x):
return x.view(x.shape[0], -1)
class Reshape(torch.nn.Module): #将图像大小重定型
def forward(self, x):
return x.view(-1,1,28,28) #(B x C x H x W)
net = torch.nn.Sequential( #Lelet
Reshape(),
nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=6, kernel_size=5, padding=2), #b*1*28*28 =>b*6*28*28
nn.Sigmoid(),
nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2), #b*6*28*28 =>b*6*14*14
nn.Conv2d(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5), #b*6*14*14 =>b*16*10*10
nn.Sigmoid(),
nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2), #b*16*10*10 => b*16*5*5
Flatten(), #b*16*5*5 => b*400
nn.Linear(in_features=16*5*5, out_features=120),
nn.Sigmoid(),
nn.Linear(120, 84),
nn.Sigmoid(),
nn.Linear(84, 10)
)
#print
X = torch.randn(size=(1,1,28,28), dtype = torch.float32)
for layer in net:
X = layer(X)
print(layer.__class__.__name__,'output shape: \t',X.shape)
接下来我们构造一个高和宽均为28的单通道数据样本，并逐层进行前向计算来查看每个层的输出形状
#输出为：
Reshape output shape: torch.Size([1, 1, 28, 28])
Conv2d output shape: torch.Size([1, 6, 28, 28])
Sigmoid output shape: torch.Size([1, 6, 28, 28])
AvgPool2d output shape: torch.Size([1, 6, 14, 14])
Conv2d output shape: torch.Size([1, 16, 10, 10])
Sigmoid output shape: torch.Size([1, 16, 10, 10])
AvgPool2d output shape: torch.Size([1, 16, 5, 5])
Flatten output shape: torch.Size([1, 400])
Linear output shape: torch.Size([1, 120])
Sigmoid output shape: torch.Size([1, 120])
Linear output shape: torch.Size([1, 84])
Sigmoid output shape: torch.Size([1, 84])
Linear output shape: torch.Size([1, 10])
3、卷积神经网络进阶
3.1 AlexNet
首次证明了学习到的特征可以超越⼿⼯设计的特征，从而⼀举打破计算机视觉研究的前状。
特征：
- 8层变换，其中有5层卷积和2层全连接隐藏层，以及1个全连接输出层。
- 将sigmoid激活函数改成了更加简单的ReLU激活函数。
- 用Dropout来控制全连接层的模型复杂度。
- 引入数据增强，如翻转、裁剪和颜色变化，从而进一步扩大数据集来缓解过拟合。
3.2 使用重复元素的网络（VGG）
VGG：通过重复使⽤简单的基础块来构建深度模型。
Block:数个相同的填充为1、窗口形状为3×3的卷积层,接上一个步幅为2、窗口形状为2×2的最大池化层。
卷积层保持输入的高和宽不变，而池化层则对其减半。
3.3 ⽹络中的⽹络（NiN）
LeNet、AlexNet和VGG：先以由卷积层构成的模块充分抽取 空间特征，再以由全连接层构成的模块来输出分类结果。
NiN：串联多个由卷积层和“全连接”层构成的小⽹络来构建⼀个深层⽹络。
⽤了输出通道数等于标签类别数的NiN块，然后使⽤全局平均池化层对每个通道中所有元素求平均并直接⽤于分类。
1×1卷积核作用：
1.放缩通道数：通过控制卷积核的数量达到通道数的放缩。
2.增加非线性。1×1卷积核的卷积过程相当于全连接层的计算过程，并且还加入了非线性激活函数，从而可以增加网络的非线性。
3.计算参数少。
注意：
NiN重复使⽤由卷积层和代替全连接层的1×1卷积层构成的NiN块来构建深层⽹络。
NiN去除了容易造成过拟合的全连接输出层，而是将其替换成输出通道数等于标签类别数 的NiN块和全局平均池化层。
NiN的以上设计思想影响了后⾯⼀系列卷积神经⽹络的设计。
3.4 GoogLeNet
由Inception基础块组成。
- Inception块相当于⼀个有4条线路的⼦⽹络。它通过不同窗口形状的卷积层和最⼤
- 池化层来并⾏抽取信息，并使⽤1×1卷积层减少通道数从而降低模型复杂度。
- 可以⾃定义的超参数是每个层的输出通道数，我们以此来控制模型复杂度。
内容均来源于伯禹学院的课件，仅作为自己的学习记录