浅谈深度学习基础（下）

CNN、RNN和LSTM

卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）

　　1984年，日本学者福岛基于感受区域概念提出了神经认知机。神经认知机可以看作是卷积神经网络的第一个实现网络，也是感受区域概念在人工神经网络领域的首次应用。神经认知机将一个视觉模式分解成许多feature，然后进入分层递阶式相连的feature maps进行处理，这样就可以将视觉系统模型化，使其能够在物体有位移或轻微变形的时候，也能完成识别。

　　我们以用于手写数字识别的LeNet-5为例来讲卷积神经网络。

　　卷积神经网络由卷积层（Convolutions Layer）、池化层（Pooling Layer）和全连接层构成。全连接层在最后，前面是若干卷积层和池化层，每个卷积层后面跟一个池化层，如此重复。

　　图中展示了LeNet-5网络的结构，一共七层，前面四层是卷积层和池化层（池化层又叫子采样层，也即Subsample Layer），后面三层是全连接层，最后一层输出层是高斯连接层，也是全连接层，共有10个节点，分别代表数字0到9，且如果节点i的值为0，则网络识别的结果是数字i。采用的是欧式径向基函数（ERBF）的网络连接方式。假设x是上一层的输入，y是ERBF的输出，则ERBF输出的计算方式是：

　　理解卷积神经网络的核心在于理解前面的卷积层和池化层。既然我们将卷积神经网络分为了卷积层、池化层和全连接层，则隐含了前面的卷积层和池化层并不是全连接的，那它们是怎么连接的呢？

　　介绍连接方式之前需要先介绍卷积层与池化层的性质：

　　卷积层：卷积层由若干张feature map（FM）构成。对输入数据应用卷积核（可以认为是对特定feature非常敏感的探测器），在输入数据上滚一遍我们的卷积核，就得到了一张FM，FM上记录了卷积核在原图不同区域的激活程度（与该卷积核的feature越契合，激活程度越高），也即去掉了读不懂的数据，留下了符合一定feature的数据。每个卷积核拥有一个feature，也就能产生一张对应feature的FM。

　　池化层：池化层的价值在于缩减输入数据的规模，FM上k*k一共k^2个激活值合并成为池化层上的一个激活值，合并的方法有很多种，比如最大值合并、平均值合并及随机合并，需要视情况而定，比如如果要确定『有没有』的问题，就要采用最大值合并，把最高的激活值保留下来。

　　然后最后一个池化层后面连接到一个或多个全连接层，全连接层的输出就是最后的输出。训练过程通过改进的反向传播实现，在反向传播的时候需要特别考虑到池化层合并激活值的方法，最大值合并、平均值合并等，均需要采用特定的处理方法，并以此来更新卷积核。

　　我们能人工定义的是卷积核的宽和高，还有卷积核的个数。卷积核对什么feature敏感，是先随机初始化，再经过BP算法慢慢训练出来的，卷积核的权重就是卷积神经网络主要需要学习的参数。

　　卷积神经网络通过『参数减少』与『权值共享』大大减少了连接的个数，也即需要训练的参数的个数。

　　就拿原图像到第一层卷积层的连接举例，假设我们的图像是1000*1000的，则有10^6个隐层神经元，那么它们全连接的话，也就是每个隐层神经元都连接图像的每个像素点，就有10^12个连接，也即10^12个权值参数需要训练，这显然是不值得的。但是对于一个只识别特定feature的卷积核，需要大到覆盖整个图像的所有像素点吗？通常是不需要的，一个特定feature，尤其是第一层需要提取的feature，通常都相当基础，只占图像很小的一部分。所以我们设置一个较小的局部感受区域，比如10*10，也即每个神经元只需要和这10*10的局部图像相连接，所以10^6个神经元也就有10^8个连接。这就叫参数减少。

　　那什么叫权值共享呢？在上面的局部连接中，10^6个神经元，每个神经元都对应100个参数，所以是10^8个参数，那如果每个神经元所对应的参数都是相同的，那需要训练的参数就只有100个了。

　　这后面隐含的道理在于，这100个参数就是一个卷积核，而卷积核是提取feature的方式，与其在图像上的位置无关，图像一个局部的统计特征与其他局部的统计特征是一样的，我们用在这个局部抽取feature的卷积核也可以用在图像上的其它任何地方。

　　而且这100个参数只是一种卷积核，只能提取一种feature，我们完全可以采用100个卷积核，提取100种feature，而所需要训练的参数也不过10^4，最开始我们训练10^12个参数，还只能提取一种特征。选取100个卷积核，我们就能得到100张FM，每张FM可以看做是一张图像的不同通道。

　　接下来我要具体介绍一下利用卷积核卷积生成FM的过程：

　　左侧绿色的是5*5的原图，左侧黄色的是3*3的卷积核覆盖的区域，右侧是3*3的FM。

时间:2018-08-07 23:13  来源:    转发量:次