卷积神经网络基础知识详解

思考卷积神经网络（CNN）中各种意义

只是知道CNN是不够，我们需要对其进行解剖，继而分析不同部件存在的意义

CNN的目的

简单来说，CNN的目的是以一定的模型对事物进行特征提取，而后根据特征对该事物进行分类、识别、预测或决策等。在这个过程里，最重要的步骤在于特征提取，即如何提取到能最大程度区分事物的特征。如果提取的特征无法将不同的事物进行划分，那么该特征提取步骤将毫无意义。而实现这个伟大的模型的，是对CNN进行迭代训练。

特征

在图像中（举个例子），目标事物的特征主要体现在像素与像素之间的关系。比如说，我们能区分一张图片中有一条直线，是因为直线上的像素与直线外邻像素的区别足够大（或直线两边的像素区别足够大），以至于这“直线”能被识别出来：

除了直线外，其他特征也同理。在CNN中，大部分特征提取依赖于卷积运算。

卷积与特征提取

卷积在此其实就是内积，步骤很简单，就是根据多个一定的权重（即卷积核），对一个块的像素进行内积运算，其输出就是提取的特征之一：

选用卷积的原因

局部感知

简单来说，卷积核的大小一般小于输入图像的大小（如果等于则是全连接），因此卷积提取出的特征会更多地关注局部 —— 这很符合日常我们接触到的图像处理。而每个神经元其实没有必要对全局图像进行感知，只需要对局部进行感知，然后在更高层将局部的信息综合起来就得到了全局的信息。

参数共享

参数共享最大的作用莫过于很大限度地减少运算量了。

多核

一般我们都不会只用一个卷积核对输入图像进行过滤，因为一个核的参数是固定的，其提取的特征也会单一化。这就有点像是我们平时如何客观看待事物，必须要从多个角度分析事物，这样才能尽可能地避免对该事物产生偏见。我们也需要多个卷积核对输入图像进行卷积。

Down-Pooling

卷积后再接上一个池化层（Pooling）简直就是绝配，能很好的聚合特征、降维来减少运算量。

多层卷积

层数越高，提取到的特征就越全局化。

池化

池化，即对一块数据进行抽样或聚合，例如选择该区域的最大值（或平均值）取代该区域：

上图的池化例子，将10 * 10的区域池化层1 * 1的区域，这样使数据的敏感度大大降低，同时也在保留数据信息的基础上降低了数据的计算复杂度。

激活函数的意义

在数学上，激活函数的作用就是将输入数据映射到0到1上（tanh是映射-1到+1上）。至于映射的原因，除了对数据进行正则化外，大概是控制数据，使其只在一定的范围内。当然也有另外细节作用，例如Sigmoid（tanh）中，能在激活的时候，更关注数据在零（或中心点）前后的细小变化，而忽略数据在极端时的变化，例如ReLU还有避免梯度消失的作用。通常，Sigmoid（tanh）多用于全连接层，而ReLU多用于卷积层。

或者我们换一个卷积核（换一种角度）来看待这个激活函数，如果我们把每一次激活动作当成一次分类，即对输入数据分成两类（0或1），那么激活函数得到的输出是在0到1的值，它可以代表着这次“分类”的归属度。如果我们把0规定为未激活，1表示激活，那么输出0.44就表示激活了44%。

而激活函数的使用却有可能带来一定的负面影响（对于训练的负面影响），激活函数可能会使我们得输入数据都激活了大半，对此我们有另外的对策 —— LRN。

LRN的催化与抑制

LRN，局部响应归一化。在神经学科中，有一个叫横向抑制（lateral inhibition）的概念，这种抑制的作用就是阻止兴奋神经元向邻近神经元传播其动作趋势，从而减少兴奋神经元的邻近神经元的激活程度。借鉴了这一生物现象（其实我们全部东西都是借鉴生物的，不是？），我们使用LRN层来对激活函数的输出数据进行横向抑制，在为激活函数收拾残局的同时，LRN还凸显了该区域的一个峰值 —— 这个峰值特征就是我们想要的特征。

特别是ReLU，它无限制的激活使得我们更需要LRN来到数据进行归一化。在大规模的数据中，我们大多情况下更看重被凸显的高频特征。因此，用LRN对数据的峰值进行催化而对其周围进行抑制，何乐不为。

IP层

在许多CNN的后部分，都存在着一个IP（Inner Product）层/内积层/fc（full connect）层/全连接层。这个全连接网络的代表性层级，其存在于CNN的意义我不得而知。在许多论文中，它替代了softmax来特征负责最终的提取，而有人也指出CNN最后可以不用IP层。

Dropout的舍弃

舍弃一直是一个伟大的哲学，生物的进化上例子比比皆是。Dropout的任务就是在训练时，通过设置阈值并与某些隐含层节点的权重对比，让特定的权重不工作 —— 在该层舍弃这些权重。Dropout的作用也很明显，除了加速运算外，就是防止过拟合了。

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