【連載】深度學(xué)習(xí)筆記9：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）入門

前面的八篇學(xué)習(xí)筆記，基本上都是圍繞著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）和全連接網(wǎng)絡(luò)（FCN）在學(xué)習(xí)。從本篇開(kāi)始，筆者將跟著大家一起學(xué)習(xí)和研究深度學(xué)習(xí)的另一個(gè)主題——卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network），也就是我們平常眼熟的 CNN。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)前計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的核心技術(shù)，發(fā)展到如今已是枝繁葉茂。筆者對(duì)于這一塊的初步打算是從卷積網(wǎng)絡(luò)的基本原理講起，將卷積網(wǎng)絡(luò)的前向傳播和反向傳播過(guò)程講清楚，以及如何使用 numpy 和 tensorflow 實(shí)現(xiàn)卷積網(wǎng)絡(luò)。然后會(huì)從深度卷積網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程出發(fā)，對(duì)主要的經(jīng)典深度網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深度剖析，對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的三大核心任務(wù)：圖像分別、目標(biāo)檢測(cè)和圖像分割等技術(shù)算法進(jìn)行詳細(xì)學(xué)習(xí)和講解。

從前面的學(xué)習(xí)中，我們了解了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)，它的前向傳播和反向傳播機(jī)制，而卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相較于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其主要區(qū)別就在于卷積層，卷積層的存在使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備更強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力。除了卷積層之外，池化層（Pooling layer）的存在也使得卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性更強(qiáng)，最后則是 DNN 中常見(jiàn)的全連接層（Fully Connected layer）。一個(gè)典型的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常包括這三層。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

那到底什么是卷積？
從數(shù)學(xué)來(lái)說(shuō)，卷積可以理解為一種類似于加權(quán)運(yùn)算一樣的操作。在圖像處理中，針對(duì)圖像的像素矩陣，卷積操作就是用一個(gè)卷積核來(lái)逐行逐列的掃描像素矩陣，并與像素矩陣做元素相乘，以此得到新的像素矩陣。這個(gè)過(guò)程是為卷積。其中卷積核也叫過(guò)濾器或者濾波器，濾波器在輸入像素矩陣上掃過(guò)的面積稱之為感受野?？赡苣氵€有點(diǎn)暈，讓我來(lái)更詳細(xì)的解釋下。

卷積過(guò)程

且看上面的動(dòng)圖（這里感謝一下 NG 大大給我們提供這么好的教學(xué)資料），我們用一個(gè) 3x3 的濾波器去掃描一個(gè) 5x5 的像素矩陣，用濾波器中每一個(gè)元素與像素矩陣中感受野內(nèi)的元素進(jìn)行乘積運(yùn)算，可得到了一個(gè) 3x3 的輸出像素矩陣，這個(gè)輸出的 3x3 像素矩陣能夠較大程度的提取原始像素矩陣的圖像特征，這也是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之所以有效的原因。為防止有同學(xué)不清楚卷積是如何計(jì)算的，筆者以輸出像素矩陣中第一個(gè)元素 4 為例，演示一下計(jì)算過(guò)程：

1x1 + 1x0 + 1x1 + 0x0 +1x1 + 1x0 + 0x1 +0x0 + 1x1 = 4

當(dāng)然，這里你可能會(huì)問(wèn)：如何確定經(jīng)過(guò)卷積后的輸出矩陣的維度？我們是有計(jì)算公式的。假設(shè)原始輸入像素矩陣的 shape 為 nxn，濾波器的 shape 為 fxf，那么輸出像素矩陣的 shape 為 (n-f+1)x(n-f+1) 。

大體上卷積操作就是這么個(gè)過(guò)程，是不是非常簡(jiǎn)單。但這里我們也需要注意兩個(gè)問(wèn)題：第一個(gè)就是濾波器移動(dòng)的步幅問(wèn)題，上面的例子中我們的濾波器的移動(dòng)步長(zhǎng)為 1 ，即在像素矩陣上一格一格平移。但如果濾波器是以兩個(gè)單位或者更多單位平移呢？這里就涉及到卷積過(guò)程中的 stride 問(wèn)題。第二個(gè)問(wèn)題涉及到卷積操作的兩個(gè)缺點(diǎn)，第一個(gè)缺點(diǎn)在于每次做卷積，你的圖像就會(huì)變小，可能做了幾次卷積之后，你的圖像就變成 1x1，這就不好辦了。第二個(gè)缺點(diǎn)在于原始輸入像素矩陣的邊緣和角落的像素點(diǎn)只能被濾波器掃到一次，而靠近像素中心點(diǎn)的像素點(diǎn)則會(huì)被多次掃到進(jìn)行卷積。這就使得邊緣和角落里的像素特征提取不足，這就涉及到卷積過(guò)程中的 padding 問(wèn)題。

針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，也就是卷積步長(zhǎng)問(wèn)題，其實(shí)也很簡(jiǎn)單，就是按照正常的卷積過(guò)程去操作，只不過(guò)每次多走一個(gè)像素單位而已。且看卷積步幅為 2 的卷積操作示例：

我們用一個(gè) 3x3 的濾波器去對(duì)原始像素為 7x7 的圖像進(jìn)行卷積操作，設(shè)定卷積步長(zhǎng)為 2，可看到輸出像素矩陣的第二行第一個(gè)元素 69 的計(jì)算跨越了兩個(gè)像素格點(diǎn)，計(jì)算過(guò)程為：

3x3 + 4x4 + 8x4 + 7x1 + 8x0 + 3x2 + 4x-1 + 2x0 + 1x3 = 69

加入步長(zhǎng)之后我們的輸出像素矩陣的 shape 的計(jì)算公式需要更新一下為：
((n-f)/s+1)x((n-f)/s+1) 。其中 s 為步長(zhǎng)。

針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用一種叫做 padding 的操作，即對(duì)原始像素邊緣和角落進(jìn)行零填充，以期能夠在卷積過(guò)程中充分利用邊緣和角落的像素特征。至于填充多少 0 像素值，一般有兩個(gè)選擇，一是 valid 填充，也就是不填充，所以就不用管它了。我們?cè)谝獾氖怯刑畛?，就是第二種，same 填充方法。即填充后，輸入和輸出大小是一致的，對(duì)于nxn大小的輸入像素，如果你用填充了 p 個(gè)像素點(diǎn)之后，n 就變成了 n+2p，最后輸出像素的 shape 計(jì)算公式就變成了 ((n+2p-f)/s+1)x((n+2p-f)/s+1)，要想讓 n+2p-f+1=n 的話，輸入輸出大小相等，則 p=(f-1)/2。所以，一般而言，濾波器的大小 f 都會(huì)選擇為奇數(shù)個(gè)。

實(shí)際操作中，padding 的編程寫法如下：

def zero_pad(X, pad):
  X_pad = np.pad(X, ((0,0), (pad, pad), (pad, pad), (0, 0)), 'constant')  
  return X_pad

numpy 一行代碼即可搞定。測(cè)試效果如下：

np.random.seed(1)
x = np.random.randn(4, 3, 3, 2)
x_pad = zero_pad(x, 2)
fig, axarr = plt.subplots(1, 2)
axarr[0].set_title('x')
axarr[0].imshow(x[0,:,:,0])
axarr[1].set_title('x_pad')
axarr[1].imshow(x_pad[0,:,:,0])

本節(jié)對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卷積細(xì)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的講解和筆記。關(guān)于帶有顏色通道的卷積操作我們下次筆記見(jiàn)。

本文由《自興動(dòng)腦人工智能》項(xiàng)目部 凱文 投稿。