第五讲卷积神经网络

本讲目标

用CNN实现离散数据的分类（以图像分类为例）

1. 卷积计算过程
2. 感受野
3. 全零填充（Padding）
4. TF描述卷积计算层
5. 批标准化（Batch Normalization, BN）
6. 池化（Pooling）
7. 舍弃（Dropout）
8. 卷积神经网络
9. cifar10数据集
10. 卷积神经网络搭建示例
11. 实现LeNet、AlexNet、VGGNet、InceptionNet、ResNet五个经典神经网络

1、卷积计算过程

全连接神经网络：每个神经元与前后相邻层的每一个神经元都有连接关系，输入是特征，输出为预测的结果。

卷积：

• 卷积计算可认为是一种有效提取图像特征的方法
• 一般会用一个正方形的卷积核，按指定步长，在输入特征图上滑动，遍历输入特征图中的每个像素点。每一个步长，卷积核会与输入特征图出现重合区域，重合区域对应元素相乘、求和再加上偏置项的带输出特征的一个像素点。
• 必须让卷积核的深度与输入特征图的深度一致，卷积核的通道数与输入特征图的通道数一致。

输入特征图的深度(channel数)，决定了当前层卷积核的深度；每个卷积核在卷积计算后，会得到一张输出特征图，当前层用了几个卷积核，就会有几张输出特征图，所以，当前卷积核的个数，决定了当前输出特征图的深度。
单通道输入特征图的卷积计算

三通道输入特征图的卷积计算过程

2、感受野

卷积神经网络各输出特征图中的每个像素点，在原始输入图片上映射区域的大小。

3、全零填充

有时会希望输出特征图的尺寸保持不变，这个时候可以使用全零填充。

卷积输出特征图维度的计算公式：

• 使用全零填充时，输出特征图边长：$\frac{输入特征图边长}{步长}$（向上取整）
  在TF中用padding = ‘SAME’ 表示使用全零填充
• 不使用全零填充时，输出特征图边长：$\frac{输入特征图边长-核长+1}{步长}$（向上取整）
  在TF中用padding = 'VALID’表示不使用全零填充

4、TF描述卷积计算层

tf.keras.layers.Conv2D(
	filters = 卷积核个数,
	kernel_size = 卷积核尺寸,  # 正方形写核长整数，或(核高h, 核宽w)
	strides = 滑动步长,  # 横纵向写相同步长整数，或（纵向步长h，横向步长w）,默认1
	padding = "same" or "valid",  # 默认valid
	activation = "relu" or "sigmoid" or "tanh" or "sofmax",  # 如有BN此处不写
	input_shape = (高, 宽, 通道数)  # 输入特征图维度，可省略
)

5、批标准化

标准化：使数据符合0均值，1为标准差的分布
批标准化：对一小批数据（batch），做标准化处理。



通过上面的简单处理，会使数据完全符合标准正态分布，使激活函数丧失了非线性特性，因此为每个卷积核引入了两个可训练参数，缩放因子γ和偏移因子β。