卷积神经网络_(1)卷积层和池化层学习

卷积神经网络(CNN)由输入层、卷积层、激活函数、池化层、全连接层组成,即INPUT-CONV-RELU-POOL-FC

(1)卷积层:用它来进行特征提取,如下:

输入图像是32*32*3,3是它的深度(即R、G、B),卷积层是一个5*5*3的filter(感受野),这里注意:感受野的深度必须和输入图像的深度相同。通过一个filter与输入图像的卷积可以得到一个28*28*1的特征图,上图是用了两个filter得到了两个特征图;

我们通常会使用多层卷积层来得到更深层次的特征图。如下:

关于卷积的过程图解如下:

输入图像和filter的对应位置元素相乘再求和,最后再加上b,得到特征图。如图中所示,filter w0的第一层深度和输入图像的蓝色方框中对应元素相乘再求和得到0,其他两个深度得到2,0,则有0+2+0+1=3即图中右边特征图的第一个元素3.,卷积过后输入图像的蓝色方框再滑动,stride=2,如下:

如上图,完成卷积,得到一个3*3*1的特征图;在这里还要注意一点,即zero pad项,即为图像加上一个边界,边界元素均为0.(对原输入无影响)一般有

F=3 => zero pad with 1

F=5 => zero pad with 2

F=7=> zero pad with 3,边界宽度是一个经验值,加上zero pad这一项是为了使输入图像和卷积后的特征图具有相同的维度,如:

输入为5*5*3,filter为3*3*3,在zero pad 为1,则加上zero pad后的输入图像为7*7*3,则卷积后的特征图大小为5*5*1((7-3)/1+1),与输入图像一样;

而关于特征图的大小计算方法具体如下:

 卷积层还有一个特性就是“权值共享”原则。如下图:

如没有这个原则,则特征图由10个32*32*1的特征图组成,即每个特征图上有1024个神经元,每个神经元对应输入图像上一块5*5*3的区域,即一个神经元和输入图像的这块区域有75个连接,即75个权值参数,则共有75*1024*10=768000个权值参数,这是非常复杂的,因此卷积神经网络引入“权值”共享原则,即一个特征图上每个神经元对应的75个权值参数被每个神经元共享,这样则只需75*10=750个权值参数,而每个特征图的阈值也共享,即需要10个阈值,则总共需要750+10=760个参数。

补充:

(1)对于多通道图像做1*1卷积,其实就是将输入图像的每个通道乘以系数后加在一起,即相当于将原图中本来各个独立的通道“联通”在了一起;

 (2)权值共享时,只是在每一个filter上的每一个channel中是共享的;

 

池化层:对输入的特征图进行压缩,一方面使特征图变小,简化网络计算复杂度;一方面进行特征压缩,提取主要特征,如下:

池化操作一般有两种,一种是Avy Pooling,一种是max Pooling,如下:

同样地采用一个2*2的filter,max pooling是在每一个区域中寻找最大值,这里的stride=2,最终在原特征图中提取主要特征得到右图。

(Avy pooling现在不怎么用了(其实就是平均池化层),方法是对每一个2*2的区域元素求和,再除以4,得到主要特征),而一般的filter取2*2,最大取3*3,stride取2,压缩为原来的1/4.

注意:这里的pooling操作是特征图缩小,有可能影响网络的准确度,因此可以通过增加特征图的深度来弥补(这里的深度变为原来的2倍)。

 

全连接层:连接所有的特征,将输出值送给分类器(如softmax分类器)。

总的一个结构大致如下:

另外:CNN网络中前几层的卷积层参数量占比小,计算量占比大;而后面的全连接层正好相反,大部分CNN网络都具有这个特点。因此我们在进行计算加速优化时,重点放在卷积层;进行参数优化、权值裁剪时,重点放在全连接层。

 

posted @ 2016-11-17 21:26 outthinker 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏