【深度学习-神经网络架构-通俗易懂的入门课程】

深度学习与AI的关系

AI 包括 机器学习 包括 深度学习
目前深度学习的算法表现更好

机器学习的流程

数据获取
特征工程
建立模型
评估与应用

机器学习的核心以及问题

特征、算法
特征决定了模型的上限，算法和参数决定了如何去逼近这个基线

问题：传统的机器学习算法，在数据规模上升时，效果无法提升

深度学习要解决的问题

模型如何搭建？

领域都有成型的模型，每年都有很多优秀的论文可以参考，反而特征提取更加重要

特征如何提取？

数值特征比较好提取
但是文本和图像 音视频等怎么提取呢？
留到下文详述

为什么要深度学习？

深度学习是一个黑盒子，能够提取出来最合适的特征，且能够自我学习更新，具备强大的学习能力

深度学习的应用

视觉类和自然语言类

• 视觉类任务
  目标检测：无人驾驶汽车 怎么识别和检测目标
  

医学 影像识别 基因检测

• 自然语言处理
  聊天机器人，生成对话机器人

• 人脸识别 人脸替换
  

• 超分辨率重构

深度学习的问题

计算量很大
计算中涉及的参数上千万 上亿，计算和更新耗时很长
因此移动端不能很好的支持

计算机视觉任务

分类与检索

分类是指：让程序分类图片是什么,
由斯坦福大学的李飞飞教授带领创建IMAGENET分类数据集。该数据集包合 14,197,122张图片和21,841个Synset索引，基本可涵盖大部分分类了。

如何实现分类

• 传统的算法识别图片类别的方法：

比如K临近算法

以上图为例：
选择离目标最近的3个点，比如第一个圈部分，三角形居多，那这个图片的分类就很可能是三角形。
但是这也有问题，如果选择的K是5个呢？ 那这个类别的判定就是正方形，分类截然相反

• 以像素的近似点分类
  先看一下，图像在计算中的表现形式，以3通道为例：RGB 3通道，一个3维 0到255的图像（h, w, c）形式
  比如543的图片为例，在计算机中的表示

这样一个3维的像素数据如何判定出图片类别呢？
既然颜色的明亮程度可以用像素值类标识，最先想到的就是找出一些分类目标图片，计算输入图片与分类图片的像素差，哪两个个像素差最小，就归属于哪一类，最终分类的效果如下：

可以看出来部分图片的分类是正确，但是还有很大一部分是错误的，比如马被识别到了翻斗车的类别里
问题出在哪里呢？
首先无法区分背景和主题，对一幅图片来说，主题和背景的权重应该是不一样的，显然像素值的大小无法应对这种情况，另外还有如下所述的难点：

面临的挑战
比如照射的角度会导致像素变化
比如主体被别的东西遮蔽了

形状改变了

被挡住了一部分

背景混子在一起：

如何解决呢？
具体实现方式：
学习一次就知道了，比如遮蔽的情况，找一些类似的图片进行标注，进行学习
，通过学习后的网络就会记住这些特征也是属于这种分类的

神经网络基础

线性函数

（32，32，3)的图像 ,目标就是能计算它属于每个分类的得分。
这个猫是由3072个像素点决定的，也就是所谓的特征有3072个，记为x，怎么得出分值呢？
首先我们考虑一个问题，每个像素点对于这个猫的重要程度一样么？
答案是肯定不一样，比如背景的像素点是不相关的，重要程度低
比如眼睛，耳朵等等的像素点很重要，需要一个高的权重参数
所以需要3072个权重参数，来标注这个像素对于这个分类的重要程度

我们用一个w（3072）标识 每个像素是猫这个分类的权重
如果是判定十分类，就需要3072组w，10*3072大小的权重矩阵，分别去表示3073个像素分别对应10分类的权重。

矩阵中的数字的意义：
越大的权重数据说明，当前的这个像素，对这个类别比较重要
权重中的负数表示对这个类别是抑制的作用
0表示对这个类别没有作用

这个矩阵哪里来的？
初始是随机值
比如现在判定错了，说明是权重不太对，想出一种方法，不断的去优化权重矩阵，直至能够区分出这个分类。那么问题来了，这个优化方法是什么？答案是利用损失函数

损失函数

损失函数的作用是来衡量分类的结果的，神经网络可以分类可以回归等，相同的网络，配以不同的损失函数，就可以完成不同的任务。

举个例子：经过神经网络输出猫 狗 飞机的分数是22 56 48，损失函数sum(max(0, y_predict - y_true)),这样设计的损失函数，在分类正确时，损失就为0

另一个问题，损失函数有不同的类型，如果损失函数的值相同，意味着模型相同么？如下的例子：

比如输入数据 1，1，1，1
模型1最终w1 [1,0,0,0]
模型2最终w2 [0.25, 0.25, 0.25, 0.25]

答案肯定是否定的，这两个模型肯定是不同的，虽然这两个参数与输入矩阵相乘后损失相同的。第一个模型是一种突然的变化，就容易导致结果过拟合

防止过拟合

通常为了防止过拟合，损失函数都设计为加上正则化的惩罚项：
损失函数 = 数据损失 + 正则化的惩罚项

我们总是希望模型不要太复杂，过拟合的模型是没用的，神经网络太强大了，而越强大的模型，过拟合就越大

前向传播

f(w, x)计算损失的过程，就是所谓的前向传播。

更进一步，在神经网络中，最终到的是一个分数值，但如果给我们一个概率的话是不是更好？

这就是通常所说的 归一化f，

e指数次幂可以放大变化，上述可以归为0.1区间的概率值，也是常说的softmax

反向传播

由输入一步步计算出损失,是正向传播
那么如何更新模型呢？ 更新模型的实质就是更新权重w， 这就是所谓的反向传播（也叫梯度下降）

反向传播的计算方法

当我们得到了一个目标损失函数后，让损失尽可能的小，结果就越靠近真实值，那怎么去求解呢？
寻找一种方法，更新后的参数能使目标函数达到极值点，极值点又是怎么求？数学上已经证明了的是极值点导数为0的点，这就是所谓的更新的方向。

我们需要从损失出发，向前去寻找导数为0的点，这种从后向前传播的过程就是反向传播，具体来说的计算方法是用了导数的链式法则

传播就是根据这个法则一步步往后计算的，常见的梯度下降算法：

• 批量梯度下降：
  容易得到最优解，但是考虑所有样本，速度很慢

• 随机梯度下降SGD
  每次找一个样本，迭代速度快，但不一定是朝收敛的方向

• 小批量梯度下降
  每一次更新选择一小部分数据来算

学习率（或步长）：
梯度下降的粒度，它对结果产生巨大影响，一般都会选择小一点

另外每次批处理的数量： 32 64 128都可以，很多时候需要考虑内存和效率

神经网络的架构

输入层 输出层 隐藏层

除了输入和输出，其它层叫做隐藏层

全连接层

中间这些连接线，其实就是所谓的参数，被称为全连接层，实质上是权重矩阵，意义是什么呢？比如上述对于10分类的权重矩阵，是对3072个像素的每个像素点，10个分类的不同权重。

神经元

隐层中的特征个数

神经元对网络的影响：

1. 参数个数
   举个例子 （800，600，3）的图片 100万个像素点，100w输入，增加一个神经元，1个隐层就增加100w个参数
2. 拟合的程度
   斯坦福大学有一个网站，可以显示神经元个数对分类的影响 https://cs.stanford.edu/people/karpathy/convnetjs/demo/classify2d.html

上图分别是2和6个神经元的展示结果，6确实是更拟合

惩罚粒度对结果拟合的影响

显然这里，更大的惩罚力度，可以让模型更稳定

激活函数

非线性函数 sigmod RELU tanh 等
实际上几乎每个隐藏层后面都还包括一些激活函数，加入一些非线性特征，常用的激活函数及其优缺点：

如上所述，sigmod 一旦数值较大或者较小，sigmod函数获取不到了，也就是所谓的梯度消失
ReLU及变种，是当前最常用的激活函数

数据预处理

zero center 移动中心点 , normalized 缩小尺寸

参数初始化

一般都是随即策略进行参数初始化

过拟合解决方法

1. 正则化
2. 惩罚力度
3. drop out 舍弃一部分神经元
4. 其他