【李宏毅机器学习】Convolutiona Neural Network 卷积神经网络（p17） 学习笔记

全文总结于哔哩大学的视频：李宏毅2020机器学习深度学习(完整版)国语

2020版课后作业范例和作业说明在github上：点击此处

李宏毅上传了2020版本的机器学习视频和吴恩达的CS229机器学习相比，中文版本的机器学习显得亲民了许多，李宏毅的机器学习是英文的ppt+中文讲解，非常有利于大家入门。吴恩达的CS229中偏向于传统机器学习（线性回归、逻辑回归、Naive Bayes、决策树、支持向量机等），李宏毅2020版本的机器学习中除了最前面的回归、分类，后面更多篇幅涉及卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）、强化学习（RL）等深度学习的内容。

博客内容多为转载。结合哔哩大学的视频观看效果更佳。

文章目录

• • Why CNN for image?
  • • property1：对于整张图来说，一些局部是很小的
    • property2：相同的部分会出现在不同的图片中
    • property3：对一个图片二次抽样不会影响人对这个图片的理解
  • The whole CNN
  • • 三条性质及其对应的实现方法
  • CNN-Convolution
  • • 体现property1
    • 体现property2
  • CNN - Colorful image
  • • Convolution vs Fully Connected
    • 局部感知+权值共享
  • CNN - Max Pooling
  • Flatten
  • CNN in Keras
  • What does CNN learn?
  • Deep Dream
  • Deep Style
  • More Application: Playing Go
  • Why CNN for playing Go?
  • 当把CNN用在一个新的application上的时候，要思考这个application的特性是什么，由此来设计CNN的结构
  • • More Application: speech
    • More Application:Text
  • To learn more

Why CNN for image?

每一个neural代表一个最基本的分类器，使用全连接网络的话，100x100的图片，拉成向量是1001003个像素，但是图片要是30000x30000呢？这样的话，会需要很多很多的参数。。。

CNN的作用就是简化这个神经网络的结构，去掉一些用不到的weight。事实上，CNN模型比DNN还简单，把原来全连接网络中的layer里的一些参数去掉就得到CNN。

property1：对于整张图来说，一些局部是很小的

为什么可以像上面说的那么做呢
一个neural并不需要取观察整张图片，而是只需要观察一个小部分即可，所以，一个neural只需要连接到一个小块的区域就好，不需要连接到整张图，这样参数更少。

property2：相同的部分会出现在不同的图片中

下图中，由于侦测鸟嘴的事情是相同的，所以可以共用一套参数，减少用到的参数的量

property3：对一个图片二次抽样不会影响人对这个图片的理解

例如：去除奇数行偶数列的像素之后，图片大小变成了之前的十分之一大小，不会影响人对这个图片的理解。

所以我们可以把图片变小，用更少的参数来处理图片。

The whole CNN

三条性质及其对应的实现方法

CNN-Convolution

体现property1

每个filter中的值都是从训练数据中学出来的，而不是认为设计的。

将filter放在左上角，将image和filter做内积，并且不断按照stride步长移动，不断计算，直到移动到右下角。

体现property2

filter斜对角都是1，1，1，作用就是检测数据中有没有1，1，1。
不论是左上角还是右下角，只要用一个filter即可检测出来，体现property2。

用另外一个filter得到蓝色的矩阵，红色和蓝色的矩阵结合起来，叫做feature map，有几个filter就会有多少个image。

CNN - Colorful image

彩色图片，分成好几个矩阵叠加在一起，处理彩色图片的filter也得是立方体。

卷积的值大意味着和patten相似所以是feature

Convolution vs Fully Connected

Convolution 其实是Fully Connected layer拿掉一些weight 的结果

例如，下图例子有一个neutral的weight只连接到1，2，3，7，8，9，13，14，15，其他的weight都没有。而这几个weight恰好就是filter里的参数。

较少的参数！！！

局部感知+权值共享

本来在fully connected layer中，两个neural有着各自独立的weight，但是在做convolution的时候，首先把每个neural前面连接的weight减少了，切让两个neural共用同一组weight，weight的sharing

CNN - Max Pooling

保留最大的


重复多次，可以得到一个新image
这个新的image比原来的小，不断重复，，，

Flatten

拉直

CNN in Keras

这里的50要注意一下，就是25个channel分别和50个filter进行内积，然后再相加

What does CNN learn?

• 每个滤波器学习出来的特征不同吧
• 网络参数固定，去计算最优的输入图像
• filter的参数都是学好的，然后最大化activation来找可以最大程度激活filter的输入图案
• 参数是不变的，只有改变输入的值

Deep Dream

CNN夸大他看到的东西

Deep Style

More Application: Playing Go

Why CNN for playing Go?

当把CNN用在一个新的application上的时候，要思考这个application的特性是什么，由此来设计CNN的结构

More Application: speech

Spectrogram：声谱图

在时间方向上移动的话意义不大，而是在频率方向上移动才有意义。
eg：男女说你好，可能pattern是一样的，只是频率不一样。

More Application:Text

input：word sequence
output：积极/中性/消极

filter沿着句子中词的方向移动，相当于在sentence/时间序列上移动，而不是在embedding dimension上移动，因为每一个dimension的含义是独立的。

To learn more