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# 第五章 卷积神经网络（CNN）

卷积神经网络是一种用来处理局部和整体相关性的计算网络结构，被应用在图像识别、自然语言处理甚至是语音识别领域，因为图像数据具有显著的局部与整体关系，其在图像识别领域的应用获得了巨大的成功。
​ 卷积神经网络是一种用来处理局部和整体相关性的计算网络结构，被应用在图像识别、自然语言处理甚至是语音识别领域，因为图像数据具有显著的局部与整体关系，其在图像识别领域的应用获得了巨大的成功。

## 5.1 卷积神经网络的组成层

以图像分类任务为例，在表5.1所示卷积神经网络中，一般包含5种类型的网络层次结构：
​ 以图像分类任务为例，在表5.1所示卷积神经网络中，一般包含5种类型的网络层次结构：

​ 表5.1 卷积神经网络的组成

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### 5.1.1 输入层

输入层(Input Layer)通常是输入卷积神经网络的原始数据或经过预处理的数据，可以是图像识别领域中原始三维的多彩图像，也可以是音频识别领域中经过傅利叶变换的二维波形数据，甚至是自然语言处理中一维表示的句子向量。以图像分类任务为例，输入层输入的图像一般包含RGB三个通道，是一个由长宽分别为$H​$和$W​$组成的3维像素值矩阵$H\times W \times 3​$，卷积网络会将输入层的数据传递到一系列卷积、池化等操作进行特征提取和转化，最终由全连接层对特征进行汇总和结果输出。根据计算能力、存储大小和模型结构的不同，卷积神经网络每次可以批量处理的图像个数不尽相同，若指定输入层接收到的图像个数为$N​$，则输入层的输出数据为$N\times H\times W\times 3​$。
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​ 输入层(Input Layer)通常是输入卷积神经网络的原始数据或经过预处理的数据，可以是图像识别领域中原始三维的多彩图像，也可以是音频识别领域中经过傅利叶变换的二维波形数据，甚至是自然语言处理中一维表示的句子向量。以图像分类任务为例，输入层输入的图像一般包含RGB三个通道，是一个由长宽分别为$H$和$W$组成的3维像素值矩阵$H\times W \times 3$，卷积网络会将输入层的数据传递到一系列卷积、池化等操作进行特征提取和转化，最终由全连接层对特征进行汇总和结果输出。根据计算能力、存储大小和模型结构的不同，卷积神经网络每次可以批量处理的图像个数不尽相同，若指定输入层接收到的图像个数为$N$，则输入层的输出数据为$N\times H\times W\times 3$。


### 5.1.2 卷积层

卷积层(Convolution Layer)通常用作对输入层输入数据进行特征提取，通过卷积核矩阵对原始数据中隐含关联性的一种抽象。卷积操作原理上其实是对两张像素矩阵进行点乘求和的数学操作，其中一个矩阵为输入的数据矩阵，另一个矩阵则为卷积核（滤波器或特征矩阵），求得的结果表示为原始图像中提取的特定局部特征。图5.1表示卷积操作过程中的不同填充策略，上半部分采用零填充，下半部分采用有效卷积（舍弃不能完整运算的边缘部分）。
​ 卷积层(Convolution Layer)通常用作对输入层输入数据进行特征提取，通过卷积核矩阵对原始数据中隐含关联性的一种抽象。卷积操作原理上其实是对两张像素矩阵进行点乘求和的数学操作，其中一个矩阵为输入的数据矩阵，另一个矩阵则为卷积核（滤波器或特征矩阵），求得的结果表示为原始图像中提取的特定局部特征。图5.1表示卷积操作过程中的不同填充策略，上半部分采用零填充，下半部分采用有效卷积（舍弃不能完整运算的边缘部分）。
​ ![conv-same](img/ch5/convolution.png)
​ 图5.1 卷积操作示意图

### 5.1.3 激活层

激活层(Activation Layer)负责对卷积层抽取的特征进行激活，由于卷积操作是由输入矩阵与卷积核矩阵进行相差的线性变化关系，需要激活层对其进行非线性的映射。激活层主要由激活函数组成，即在卷积层输出结果的基础上嵌套一个非线性函数，让输出的特征图具有非线性关系。卷积网络中通常采用ReLU来充当激活函数（还包括tanh和sigmoid等）ReLU的函数形式如公式（5-1）所示，能够限制小于0的值为0,同时大于等于0的值保持不变。
​ 激活层(Activation Layer)负责对卷积层抽取的特征进行激活，由于卷积操作是由输入矩阵与卷积核矩阵进行相差的线性变化关系，需要激活层对其进行非线性的映射。激活层主要由激活函数组成，即在卷积层输出结果的基础上嵌套一个非线性函数，让输出的特征图具有非线性关系。卷积网络中通常采用ReLU来充当激活函数（还包括tanh和sigmoid等）ReLU的函数形式如公式（5-1）所示，能够限制小于0的值为0,同时大于等于0的值保持不变。
$$
f(x)=\begin{cases}
0 &\text{if } x<0 \\
Expand All @@ -45,15 +45,15 @@ f(x)=\begin{cases}
$$

### 5.1.4 池化层
池化层又称为降采样层(Downsampling Layer)，作用是对感受域内的特征进行筛选，提取区域内最具代表性的特征，能够有效地降低输出特征尺度，进而减少模型所需要的参数量。按操作类型通常分为最大池化(Max Pooling)、平均池化(Average Pooling)和求和池化(Sum Pooling)，它们分别提取感受域内最大、平均与总和的特征值作为输出，最常用的是最大池化。
​ 池化层又称为降采样层(Downsampling Layer)，作用是对感受域内的特征进行筛选，提取区域内最具代表性的特征，能够有效地降低输出特征尺度，进而减少模型所需要的参数量。按操作类型通常分为最大池化(Max Pooling)、平均池化(Average Pooling)和求和池化(Sum Pooling)，它们分别提取感受域内最大、平均与总和的特征值作为输出，最常用的是最大池化。

### 5.1.5 全连接层
全连接层(Full Connected Layer)负责对卷积神经网络学习提取到的特征进行汇总，将多维的特征输入映射为二维的特征输出，高维表示样本批次，低位常常对应任务目标。
​ 全连接层(Full Connected Layer)负责对卷积神经网络学习提取到的特征进行汇总，将多维的特征输入映射为二维的特征输出，高维表示样本批次，低位常常对应任务目标。


## 5.2 卷积在图像中有什么直观作用

在卷积神经网络中，卷积常用来提取图像的特征，但不同层次的卷积操作提取到的特征类型是不相同的，特征类型粗分如表5.2所示。
​ 在卷积神经网络中，卷积常用来提取图像的特征，但不同层次的卷积操作提取到的特征类型是不相同的，特征类型粗分如表5.2所示。
​ 表5.2 卷积提取的特征类型

| 卷积层次 | 特征类型 |
Expand All @@ -76,7 +76,7 @@ $$

## 5.3 卷积层有哪些基本参数？

卷积层中需要用到卷积核（滤波器或特征检测器）与图像特征矩阵进行点乘运算，利用卷积核与对应的特征感受域进行划窗式运算时，需要设定卷积核对应的大小、步长、个数以及填充的方式，如表5.4所示。
​ 卷积层中需要用到卷积核（滤波器或特征检测器）与图像特征矩阵进行点乘运算，利用卷积核与对应的特征感受域进行划窗式运算时，需要设定卷积核对应的大小、步长、个数以及填充的方式，如表5.4所示。

​ 表5.4 卷积层的基本参数

Expand All @@ -96,7 +96,7 @@ $$
## 5.4 卷积核有什么类型？

常见的卷积主要是由连续紧密的卷积核对输入的图像特征进行滑窗式点乘求和操作，除此之外还有其他类型的卷积核在不同的任务中会用到，具体分类如表5.5所示。
​ 常见的卷积主要是由连续紧密的卷积核对输入的图像特征进行滑窗式点乘求和操作，除此之外还有其他类型的卷积核在不同的任务中会用到，具体分类如表5.5所示。
​ 表5.5 卷积核分类

| 卷积类别 | 示意图 | 作用 |
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## 5.9 卷积层和池化层有什么区别？

卷积层核池化层在结构上具有一定的相似性，都是对感受域内的特征进行提取，并且根据步长设置获取到不同维度的输出，但是其内在操作是有本质区别的，如表5.7所示。
​ 卷积层核池化层在结构上具有一定的相似性，都是对感受域内的特征进行提取，并且根据步长设置获取到不同维度的输出，但是其内在操作是有本质区别的，如表5.7所示。

| | 卷积层 | 池化层 |
| :--------: | :------------------------------------: | :------------------------------: |
Expand Down Expand Up @@ -268,8 +268,9 @@ $$
| 权重衰减系数(Weight Decay) | $0-0.001$ | 模型训练过程中反向传播权值更新的权重衰减值 |

## 5.17 提高卷积神经网络的泛化能力
卷积神经网络与其他类型的神经网络类似，在采用反向传播进行训练的过程中比较依赖输入的数据分布，当数据分布较为极端的情况下容易导致模型欠拟合或过拟合，表XX记录了提高卷积网络泛化能力的方法。
​ 卷积神经网络与其他类型的神经网络类似，在采用反向传播进行训练的过程中比较依赖输入的数据分布，当数据分布较为极端的情况下容易导致模型欠拟合或过拟合，表XX记录了提高卷积网络泛化能力的方法。
​ 表XX 提高卷积网络化能力的方法

| 方法 | 说明 |
| :---: | :--- |
| 使用更多数据 | 在有条件的前提下，尽可能多地获取训练数据是最理想的方法，更多的数据可以让模型得到充分的学习，也更容易提高泛化能力 |
Expand All @@ -284,7 +285,7 @@ $$

## 5.18 卷积神经网络在不同领域的应用
卷积神经网络中的卷积操作是其关键组成，而卷积操作只是一种数学运算方式，实际上对不同类型的数值表示数据都是通用的，尽管这些数值可能表示的是图像像素值、文本序列中单个字符或是语音片段中单字的音频。只要使原始数据能够得到有效地数值化表示，卷积神经网络能够在不同的领域中得到应用，要关注的是如何将卷积的特性更好地在不同领域中应用，如表XX所示。
​ 卷积神经网络中的卷积操作是其关键组成，而卷积操作只是一种数学运算方式，实际上对不同类型的数值表示数据都是通用的，尽管这些数值可能表示的是图像像素值、文本序列中单个字符或是语音片段中单字的音频。只要使原始数据能够得到有效地数值化表示，卷积神经网络能够在不同的领域中得到应用，要关注的是如何将卷积的特性更好地在不同领域中应用，如表XX所示。
​ 表XX 卷积神经网络不同领域的应用
| 应用领域 | 输入数据图示 | 说明 |
| :-----: | :----------: | :-- |
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