卷積神經網絡CNN的簡單理論介紹

好久不見各位親們，從上半年畢業(yè)到現(xiàn)在各方面開始步入正常軌跡，也開始有時間寫點文章了，后續(xù)開始陸續(xù)更新關于自然語言處理相關技術、論文等，感謝各位老鐵這么長時間的關注和支持，我會再接再厲認真寫文以饗讀者，也感謝各位提出的建議，共同交流，不吝賜教，fighting！

前言

眾所周知，卷積神經網絡(Convolutional Neural Network， CNN)通常是被用在圖像識別領域的，其實還可以應用于語音識別，文本分類等多個領域。寫這篇文章主要是為了介紹TextCnn文本分類模型，當然也會詳細介紹CNN的具體內容，并輔以相關的案例。當然，這里默認讀者對神經網絡有一定的了解和認識，如果有疑問可留言，本文也不介紹太多關于數(shù)學的內容，以便于讀者理解，如有需要后期更新相關數(shù)學推導。

1 卷積神經網絡簡介

通常有:

數(shù)據(jù)輸入層/ Input layer

卷積計算層/ CONV layer

池化層 / Pooling layer

全連接層 / FullConnect layer

輸出層 / Output layer

當然也還包括神經網絡常用的激活層，正則化層等。

模型訓練完畢后，對圖像分類的主要過程如下：

CNN處理流程

當然，我們的主要工作還是構建CNN模型以及使用相關數(shù)據(jù)進行模型訓練，以使得模型能夠提取數(shù)據(jù)特征進行更好的分類。下面就對各個層以及神經網絡的核心模塊進行介紹。

2 卷積層

卷積層是卷積神經網絡的核心層，核心的處理方式就是卷積(Convolution)計算。卷積其實也就可以看成一個函數(shù)或者一種算法。這個函數(shù)則需要輸入數(shù)據(jù)和卷積核，按照卷積要求進行計算。我們可以通過下面的圖形簡單理解一下，假設我們有一個5x5的矩陣和一個3x3的卷積核(進行卷積計算所需要的兩個參數(shù))，如下：

輸入矩陣和卷積核

卷積核就是從輸入矩陣從左到右，從上到下進行計算，計算過程如下：

卷積計算過程

輸入矩陣對應的虛線框體大小就是卷積核形狀的大小，然后虛線框對應元素與卷積核中的對應元素相乘求和就得出結果4。然后虛線框向右移一個單位(后面還會用到)計算第二個值，然后再移動一個單位計算第三個值，那么第一行就計算完畢了。需要注意的是，虛線框的大小要與卷積核形狀大小保持一致。同理可計算第二行，如下：

卷積計算過程2

一次類推計算出所有結果。經過卷積計算的結果就是一個3x3的矩陣?？偨Y一句話就是移動窗口，對應值計算相加即可。

可以看出，卷積層其實是提取圖像特征的過程。另外深思一下：擺在我們面前的問題有：卷積核如何確定？卷積核為啥只移動一個單位？移動過程超出邊界不可以嗎？

2.1 卷積核

卷積核在圖像識別中也稱過濾器。比較簡單的過濾器有：Horizontalfilter、Verticalfilter、Sobel Filter等。這些過濾器能夠檢測圖像的水平邊緣、垂直邊緣、增強圖像區(qū)域權重等，這里不做細致探究。其實，過濾器的作用類似于標準(例如全連接層)的權重矩陣W，需要通過梯度下降算法反復迭代求得。而卷積神經網絡的主要目的就是計算出這些卷積核。

2.2 步幅

在前面的計算中可以看出，通過向右，向下移動一個單位的卷積核大小的窗口計算得到卷積結果。其實這個卷積核大小的窗口向右，向下移動的格數(shù)(單位)成為步幅(strides)，上面每次移動一格，那么對應的strides就為1。在圖像處理中就是跳過像素的個數(shù)了。這個步幅也不是固定不變就是1，可結合實際場景改變。并且在移動的過程中，卷積核中的值不變是共享的。這也就大大降低了參數(shù)的數(shù)量。

2.3 填充

從上面的計算結果可以看出，輸入是一個5x5的矩陣，經過卷積核計算后，輸出就變成了3x3的結果。如果你想再次輸入大小為5x5的矩陣怎么辦？這時我們就需要對原始輸入的5x5大小的矩陣做一下處理——填充(padding)，在擴展區(qū)域補0。根據(jù)之前計算過程，只要向右向下各多移動兩次即可得到5x5的計算結果，那么對輸入矩陣補齊得到如下結果：

填充

現(xiàn)在結合輸入矩陣大小n、卷積核大小f、padding(補0圈數(shù))計算輸出矩陣大小p、步幅大小為s，公式如下：

當然這里默認輸入的數(shù)據(jù)長寬一致，如果長寬不同，則需根據(jù)具體情況具體分析。

拓展：實際中的圖片是三通道的，即：RGB通道，而對于視頻又會多個幀數(shù)通道。其實多通道時，每個通道對應一個卷積核即可。

2.4 激活函數(shù)

為了保證對數(shù)據(jù)非線性處理，也需要激活函數(shù)，也就是激活層的處理。其處理方式是，為卷積核的每個元素添加一個bias(偏移值)，然后送入諸如relu、leakyRelu、tanh等非線性激活函數(shù)即可。

3 池化層

在經過卷積層之后，其實就可以通過全連接層后接softmax進行分類輸出圖片類別了，但是這個時候，數(shù)據(jù)量依然是特別大的，也就面臨著巨大的計算量挑戰(zhàn)。池化(Pooling)又稱下采樣，可以進一步降低網絡訓練參數(shù)和模型過擬合的程度。

常用的池化處理有一下幾種：

最大池化(Max Pooling)：選擇Pooling窗口中的最大值作為采樣值

均值池化(Mean Pooling)：將Pooling窗口中的所有值加起來取平均，使用平均值作為采樣值

全局最大(或均值)池化：取整個特征圖的最大值或均值

假如我們有如下提取特征的結果值：

以及假定池化的窗口大小為2x2，步幅為1，那么幾種池化過程如下：

簡單池化

池化層在cnn中可用來較小尺寸，提高運算速度及減小噪聲影響，讓各特征更具健壯性。

4 全連接層和輸出層

這部分主要連接最后池化后的結果，將池化后的數(shù)據(jù)展平構成全連接層的輸入。然后就是根據(jù)類別數(shù)構建的一個分類層，也就是輸出層，對于分類任務輸出層則添加一個sigmoid層計算需要分類的圖片各個類別的概率。對于訓練任務，則使用損失函數(shù)開始反向傳播更新模型中的卷積核。

總結

卷積神經網絡的大致流程如此，實際中則需要靈活多變。卷積神經網絡發(fā)展非常迅速，相關技術比較成熟，應用也比較廣泛。比較有代表性性的模型有：

LeNet-5

AlexNet

VGG

GoogleNet

ResNet

膠囊網絡

對此感興趣的可以深入了解。下面一篇文章將結合Pytorch以及CIFAR-10數(shù)據(jù)集做一個利用卷積神經網絡分類的任務，以夯實對卷積神經網絡的理解以及Pytorch的熟練使用。

原文標題：【深度學習】卷積神經網絡-CNN簡單理論介紹

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責任編輯：haq