卷积：如何成为一个很厉害的神经网络

2019-10-28 18:08:13 浏览数 (1)

什么是卷积神经网络？又为什么很重要？

卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, ConvNets or CNNs)是一种在图像识别与分类领域被证明特别有效的神经网络。卷积网络已经成功地识别人脸、物体、交通标志，应用在机器人和无人车等载具。

图1

在上面的图1当中，卷积网络能够识别场景而系统可以自动推荐相关标签如“桥”、“铁路”、“网球”等。图2则展示了卷积网络识别日常事物如人、动物的例子。最近，卷积网络也已经在自然语言处理上显示出了威力（比如句子分类）。

图2

卷积网络，在今天的绝大多数机器学习应用中都是极重要的工具。但是，理解卷积网络并首次学着使用，这体验有时并不友好。本文的主旨在于帮助读者理解，卷积神经网络是如何作用于图片的。

如果你对神经网络还是完全陌生的，建议阅读9行Python代码搭建神经网络来掌握一些基本概念 在本文，多层感知机(Multi-Layer Perceptrons, MLP)也被记作全连接层(Fully Connected Layers)。

LeNet架构(1990年代）

LeNet是最早用于深度学习了领域的卷积神经网络之一。Yann LeCun的这一杰作LeNet5得名于他自1988年以来的系列成功迭代。彼时LeNet架构还主要被用于识别邮政编码等任务。

下面我们将直观地感受一下，LeNet是如何学习识别图像的。近几年已经出现了很多建立在LeNet之上的新架构，但是基本概念还是来自于LeNet，并且理解了LeNet再学其他的也会更简单。

图3：简单的ConvNet

图3的卷积神经网络与LeNet的原始架构十分接近，把图片分入四个类别：狗，猫，船，鸟（LeNet最早主要就是用来做这些）。如上图所示，当获得一张船图作为输入的时候，网络正确的给船的分类赋予了最高的概率(0.94)。输出层的各个概率相加应为1.

图3的卷积神经网络主要执行了四个操作：

  1. 卷积
  2. 非线性(ReLU)
  3. 池化或下采样
  4. 分类（全连接层）

这些操作也是所有卷积神经网络的基石，所以理解好这些工作对于理解整个神经网络至关重要。接下来我们将尝试最直观地理解以上操作。

图片是像素值的矩阵

本质上来讲，每个图片都可以表示为像素值组成的矩阵

图4：像素值矩阵

通道是代指图片特定成分的习语。常见数码相机拍出来的照片有三个通道——红、绿、蓝-可以想象为是三个2d矩阵（每种颜色对应一个）叠在一起，每个矩阵的值都在0-255之间。

另一方面，灰度图像只有单通道。本文为简单起见只考虑灰度图像，这样就是一个2d矩阵。矩阵中的每个像素值还是0到255——0表示黑，255表示白。

卷积

卷积网络是因为“卷积”操作而得名的。卷积的根本目的是从输入图片中提取特征。卷积用一个小方阵的数据学习图像特征，可以保留像素之间的空间关系。这里不深入探讨卷积的数学原理，重在理解工作过程。

如上所述，每个图片都是像素值矩阵。考虑一个5x5的图像，其像素值为0和1，下面的绿色矩阵是灰度图的特例（常规灰度图的像素值取值0-255），同时考虑如下的3x3矩阵：

然后，5x5图像和3x3矩阵之间的卷积计算，可由下图的动画所表示：

图5：卷积操作。输出矩阵叫卷积特征或特征映射

想一想以上操作是如何完成的，我们在原始图片（绿色）上1像素、1像素地滑动橙色矩阵（也称'stride'），并且在每个位置上，我们都对两个矩阵的对应元素相乘后求和得到一个整数，这就是输出矩阵（粉色）的元素。注意，3x3矩阵每次只“看见”输入图片的一部分。

3x3矩阵也叫“滤波器”、“核”或“特征探测器”，在原图上滑动滤波器、点乘矩阵所得的矩阵称为“卷积特征”、“激励映射”或“特征映射”。这里的重点就是，理解滤波器对于原输入图片来说，是个特征探测器。

对于同一张照片，不同的滤波器将会产生不同的特征映射。比如考虑下面这张输入图片：

下表可见各种不同卷积核对于上图的效果。只需调整滤波器的数值，我们就可以执行诸如边缘检测、锐化、模糊等效果——这说明不同的滤波器会从图片中探测到不同的特征，比如边缘、曲线等。

另一种对卷积操作很好的理解方式就是观察图6的动画：

图6：卷积操作

一个滤波器（红框）在图片上滑动（卷积）产生特征映射。在同一个图片上，另一个滤波器（绿框）的卷积产生了不同的特征映射。须知，卷积操作捕捉的是原图的局部依赖性。另外，注意观察两个不同的滤波器怎样产生不同的特征映射。其实不管是图片，还是两个滤波器，本质上都不过是我们刚才看过的数值矩阵而已。

在实践当中，卷积神经网络在训练过程中学习滤波器的值，当然我们还是要在训练之前需要指定一些参数：滤波器的个数，滤波器尺寸、网络架构等等。滤波器越多，从图像中提取的特征就越多，模式识别能力就越强。

特征映射的尺寸由三个参数控制，我们需要在卷积步骤之前就设定好：

  • 深度(Depth)： 深度就是卷积操作中用到的滤波器个数。如图7所示，我们对原始的船图用了三个不同的滤波器，从而产生了三个特征映射。你可以认为这三个特征映射也是堆叠的2d矩阵，所以这里特征映射的“深度”就是3。

图7

  • 步幅(Stride)：步幅是每次滑过的像素数。当Stride=1的时候就是逐个像素地滑动。当Stride=2的时候每次就会滑过2个像素。步幅越大，特征映射越小。
  • 补零(Zero-padding)：有时候在输入矩阵的边缘填补一圈0会很方便，这样我们就可以对图像矩阵的边缘像素也施加滤波器。补零的好处是让我们可以控制特征映射的尺寸。补零也叫宽卷积，不补零就叫窄卷积。

非线性

如图3所示，每个卷积操作之后，都有一个叫ReLU的附加操作。ReLU的全称是纠正线性单元(Rectified Linear Unit)，是一种非线性操作，其输出如下：

图8:ReLU

ReLU是以像素为单位生效的，其将所有负值像素替换为0。ReLU的目的是向卷积网络中引入非线性，因为真实世界里大多数需要学习的问题都是非线性的（单纯的卷积操作时线性的——矩阵相乘、相加，所以才需要额外的计算引入非线性）。

图9可以帮助我们清晰地理解，ReLU应用在图6得到的特征映射上，输出的新特征映射也叫“纠正”特征映射。（黑色被抹成了灰色）

图9:ReLU

其他非线性方程比如tanh或sigmoid也可以替代ReLU，但多数情况下ReLU的表现更好。

池化

空间池化（也叫亚采样或下采样）降低了每个特征映射的维度，但是保留了最重要的信息。空间池化可以有很多种形式：最大(Max)，平均(Average)，求和(Sum)等等。

以最大池化为例，我们定义了空间上的邻域（2x2的窗）并且从纠正特征映射中取出窗里最大的元素。除了取最大值以额外，我们也可以取平均值（平均池化）或者把窗里所有元素加起来。实际上，最大池化已经显示了最好的成效。

图10显示了对纠正特征映射的最大池化操作（在卷积 ReLU之后），使用的是2x2的窗。

图10:最大池化

我们以2格的步幅(Stride)滑动2x2的窗，并且取每个区域的最大值。图10同样显示了池化可以减少特征映射的维度。

在图11所示的网络中，池化操作分别应用于每个特征映射（注意正因如此，我们从三个输入映射得到了三个输出映射）。

图11:对纠正特征映射应用池化

图12即为池化操作施加在图9所得纠正特征映射上的效果。

图12:池化

池化的功能室逐步减少输入表征的空间尺寸。特别地，池化

  • 使输入表征（特征维度）更小而易操作
  • 减少网络中的参数与计算数量，从而遏制过拟合
  • 增强网络对输入图像中的小变形、扭曲、平移的鲁棒性（输入里的微小扭曲不会改变池化输出——因为我们在局部邻域已经取了最大值/平均值）。
  • 帮助我们获得不因尺寸而改变的等效图片表征。这非常有用，因为这样我们就可以探测到图片里的物体，不论那个物体在哪。

截至目前：

图13

至此我们已经了解了卷积、ReLU和池化是如何运转的，这些层对于所有的卷积神经网络都是最基础的单元。如图13所示，我们有两组“卷积 ReLU 池化”层——其中第二组对第一组的输出施加了六个滤波器，产生了六个特征映射。ReLU分别作用域这六个特征映射，再对生成的纠正特征映射使用最大池化。

这些层合力提取出有用的特征，为网络引入了非线性并降低了维度，还使特征对尺寸和平移保持不变性。

第二个池化层的输出相当于全连接层的输入，我们将在下一节继续探讨。

全连接层

全连接层(Fully Connected layer)就是使用了softmax激励函数作为输出层的多层感知机(Multi-Layer Perceptron)，其他很多分类器如支持向量机也使用了softmax。“全连接”表示上一层的每一个神经元，都和下一层的每一个神经元是相互连接的。

卷积层和池化层呢个的输出代表了输入图像的高级特征，全连接层的目的就是用这些特征进行分类，类别基于训练集。比如图14所示的图像分类任务，有四种可能的类别。（注意，图14没有显示出所有的神经元节点）

图14:全连接层——每个节点都与相邻层的所有节点相连

除了分类以外，加入全连接层也是学习特征之间非线性组合的有效办法。卷积层和池化层提取出来的特征很好，但是如果考虑这些特征之间的组合，就更好了。

全连接层的输出概率之和为1，这是由激励函数Softmax保证的。Softmax函数把任意实值的向量转变成元素取之0-1且和为1的向量。

联合起来——反向传播训练

综上，卷积 池化是特征提取器，全连接层是分类器。

注意图15，因为输入图片是条船，所以目标概率对船是1，其他类别是0.

  • 输入图像 = 船
  • 目标向量 = [0, 0, 1 ,0]

图15:训练卷积神经网络

卷积网络的训练过程可以概括如下：

  • Step 1: 用随机数初始化所有的滤波器和参数/权重
  • Step 2: 网络将训练图片作为输入，执行前向步骤（卷积，ReLU，池化以及全连接层的前向传播）并计算每个类别的对应输出概率。
    • 假设船图的输出概率是[0.2, 0.4, 0.1, 0.3]
    • 因为第一个训练样本的权重都是随机的，所以这个输出概率也跟随机的差不多
  • Step 3: 计算输出层的总误差（4类别之和）
  • Step 4: 反向传播算法计算误差相对于所有权重的梯度，并用梯度下降法更新所有的滤波器/权重和参数的值，以使输出误差最小化。
    • 权重的调整程度与其对总误差的贡献成正比。
    • 当同一图像再次被输入，这次的输出概率可能是[0.1, 0.1, 0.7, 0.1]，与目标[0, 0, 1, 0]更接近了。
    • 这说明我们的神经网络已经学习着分类特定图片了，学习的方式是调整权重/滤波器以降低输出误差。
    • 如滤波器个数、滤波器尺寸、网络架构这些参数，是在Step 1之前就已经固定的，且不会在训练过程中改变——只有滤波矩阵和神经元突触权重会更新。

以上步骤训练了卷积网络——本质上就是优化所有的权重和参数，使其能够正确地分类训练集里的图片。

当一个新的（前所未见的）的图片输入至卷积网络，网络会执行前向传播步骤并输出每个类别的概率（对于新图像，输出概率用的也是训练过的权重值）。如果我们的训练集足够大，网络就有望正确分类新图片，获得良好的泛化(generalization)能力。

注意 1: 以上步骤已被极大简化，且数学细节均以忽略，这是为了让训练过程更直观。

注意 2: 上例中，我们用了两组卷积 池化层，其实这些操作可以在一个卷积网络内重复无数次。如今有些表现出众的卷积网络，都有数以十计的卷积 池化层！并且，不是每个卷积层后面都要跟个池化层。由图16可见，我们可以有连续多组卷积 ReLU层，后面再加一个池化层。

图16

可视化卷积神经网络

一般来说，卷积层越多，能学会的特征也就越复杂。比如在图像分类中，一个卷积神经网络的第一层学会了探测像素中的边缘，然后第二层用这些边缘再去探测简单的形状，其他层再用形状去探测高级特征，比如脸型，如图17所示——这些特征是Convolutional Deep Belief Network学得的。这里只是一个简单的例子，实际上卷积滤波器可能会探测出一些没有意义的特征。

图17:Convolutional Deep Belief Network学习的特征

Adam Harley做了一个非常惊艳的卷积神经网络可视化，这个网络是用MNIST手写数字数据库训练而来的。我强烈推荐大家玩一玩，以便更深地理解卷积神经网络的细节。

如下我们将看到网络是如何识别输入数字"8"的。注意，图18没有把ReLU过程单独显示出来。

图18:可视化卷积神经网络

输入图像有1024个像素（32x32图片），第一个卷积层(Convolution Layer 1)有六个不同的5x5滤波器(Stride = 1)。由图可见，六个不同的滤波器产生了深度为6的特征映射。

Convolutional Layer 1 后面跟着Pooling Layer 1, 对六个特征映射分别进行2x2的最大池化（Stride = 2）。你可以在动态网页中的每个像素上活动鼠标指针，观察其在前一个卷积层里对应的4x4网格（如图19）。不难发现，每个4x4网格里的最亮的像素（对应最大值）构成了池化层。

图19：可视化池化操作

之后我们有三个全连接(FC)层：

  • FC 1: 120神经元
  • FC 2: 100神经元
  • FC 3: 10神经元，对应10个数字——也即输出层

在图20，输出层10个节点中的每一个，都与第二个全连接层的100个节点相连（所以叫“全连接”）。

注意输出层里的唯一的亮点对应着8——这说明网络正确的识别了手写数字（越亮的节点代表越高的概率，比如这里8就拥有最高的概率）。

图20：可视化全连接层

该可视化的3D版可见于这里

http://scs.ryerson.ca/~aharley/vis/conv/

其他卷积网络架构

卷积神经网络始自1990年代起，我们已经认识了最早的LeNet，其他一些很有影响力的架构列举如下：

  • 1990s至2012：从90年代到2010年代早期，卷积神经网络都处于孵化阶段。随着数据量增大和计算能力提高，卷积神经网络能搞定的问题也越来越有意思了。
  • AlexNet(2012)：2012年，Alex Krizhevsky发布了AlexNet，是LeNet的更深、更宽版本，并且大比分赢得了当年的ImageNet大规模图像识别挑战赛(ILSVRC)。这是一次非常重要的大突破，现在普及的卷积神经网络应用都要感谢这一壮举。
  • ZF Net(2013)：2013年的ILSVRC赢家是Matthew Zeiler和Rob Fergus的卷积网络，被称作ZF Net，这是调整过架构超参数的AlexNet改进型。
  • GoogleNet(2014)：2014的ILSVRC胜者是来自Google的Szegedy et al.。其主要贡献是研发了Inception Module，它大幅减少了网络中的参数数量（四百万，相比AlexNet的六千万）。
  • VGGNet(2014)：当年的ILSVRC亚军是VGGNet，突出贡献是展示了网络的深度（层次数量）是良好表现的关键因素。
  • ResNet(2015)： Kaiming He研发的Residual Network是2015年的ILSVRC冠军，也代表了卷积神经网络的最高水平，同时还是实践的默认选择（2016年5月）。
  • DenseNet（2016年8月）： 由Gao Huang发表，Densely Connected Convolutional Network的每一层都直接与其他各层前向连接。DenseNet已经在五个高难度的物体识别基础集上，显式出非凡的进步。
编程算法 卷积神经网络 神经网络

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