卷积神经网络(CNN)基本部件

最新推荐文章于 2025-07-08 16:16:53 发布

tigerlib

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分类专栏： deep learning 文章标签： CNN 卷积神经网络图像识别

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本文深入探讨了卷积神经网络（CNN）的架构与工作原理，包括卷积层、池化层及全连接层的作用与计算方式，并通过CIFAR100分类任务的实例演示了CNN的具体应用。

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卷积神经网络

由一个或多个卷积层、池化层以及全连接层等组成。
与其他深度学习结构相比，卷积神经网络在图像等方面能够给出更好的结果。
这一模型也可以使用反向传播算法进行训练。
相比较其他浅层或深度神经网络，卷积神经网络需要考量的参数更少，使之成为一种颇具吸引力的深度学习结构。

文章目录

1 卷积层（Convolutions）

卷积运算的目的是提取输入的不同特征，某些卷积层可能只能提取一些低级的特征如边缘、线条和角等层级，更多层的网路能从低级特征中迭代提取更复杂的特征。
计算公式
假设我们有10 个Filter，每个Filter3 X 3 X 3（计算RGB图片），并且只有一层卷积，那么参数有多少？
- 计算：每个Filter参数个数为：3 X 3 X 3 + 1 bias = 28个权重参数，总共28 * 10 = 280个参数，即使图片任意大小，我们这层的参数也就这么多。

卷积层充当特征提取的角色，但是并没有减少图片的特征数量，在最后的全连接层依然面临大量的参数，所以需要池化层进行特征数量的减少

2 池化层(Pooling、Subsampling)

池化层主要对卷积层学习到的特征图进行亚采样（subsampling）处理，主要由两种

最大池化：Max Pooling,取窗口内的最大值作为输出
平均池化：Avg Pooling,取窗口内的所有值的均值作为输出
意义在于：
（1）降低了后续网络层的输入维度，缩减模型大小，提高计算速度
（2）提高了Feature Map 的鲁棒性，防止过拟合

对于一个输入的图片，我们使用一个过滤器filter大小为2 x 2，步长stride为2的参数进行求最大池化操作。同样池化也有一组参数 f，s，得到2 * 2的大小。当然如果我们调整这个超参数，比如说3 * 3，那么结果就不一样了，通常选择默认都是 f = 2 * 2, s = 2
池化超参数特点：不需要进行学习，不像卷积通过梯度下降进行更新。

3 全连接层（Full connection）

卷积层+激活层+池化层可以看成是CNN的特征学习/特征提取层，而学习到的特征（Feature Map）最终应用于模型任务（分类、回归）：

先对所有 Feature Map 进行扁平化（flatten, 即 reshape 成 1 x N 向量）
再接一个或多个全连接层，进行模型学习

示例demo——CNN算法实现CIFAR100分类

模型网络设计：两层卷积层+两个神经网络层
CIFAR100输入的每批次若干图片数据大小为[None, 32, 32, 3]，其中None表示图片数量，[32, 32, 3]表示图片大小。

1、两层卷积层

第一层
- (1) 卷积：32个filter、大小5*5、strides=1、padding=“SAME”
  - 图片数据：[None, 32, 32, 3]———>[None, 32, 32, 32]
    $32=(32-5+2*p)/1+1\implies p=2$
  - 权重数量：[5, 5, 3 ,32]
  - 偏置数量：[32]
- (2) 激活：Relu
  - 图片数据：[None, 32, 32, 32]———>[None, 32, 32, 32]
- (3) 池化：大小2x2、strides2
  - 图片数据：[None, 32, 32, 32]———>[None, 16, 16, 32]
第二层
- (1) 卷积：64个filter、大小5*5、strides=1、padding=“SAME”
  - 图片数据：[None, 16, 16, 32]———>[None, 16, 16, 64]
    $16=(16-5+2*p)/1+1\implies p=2$
  - 权重数量：[5, 5, 32 ,64]
  - 偏置数量：[64]
- (2)激活：Relu
  - 图片数据：[None, 16, 16, 64]———>[None, 16, 16, 64]
- (3) 池化：大小2x2、strides2
  - 图片数据：[None, 16, 16, 64]———>[None, 8, 8, 64]

2、两层神经网络

第一层隐层1024个神经元
- 先对所有 Feature Map 进行扁平化（flatten, 即 reshape 成 1 x N 向量）
- 图片数据：[None, 8, 8, 64]——>[None, 8 * 8 * 64] x [8 * 8 * 64, 1024] = [None, 1024]
- 权重数量：[8 * 8 * 64, 1024]
- 偏置数量：[1024]
第二层 全连接层 100个神经元（100个分类）
- 图片数据：[None,1024] x [1024, 100]——>[None, 100]
- 权重数量：[1024, 100]
- 偏置数量：[100]

import tensorflow as tf
from tensorflow.python import keras

class CNNCifar100(object):
    model = keras.Sequential([
        keras.layers.Conv2D(32, kernel_size=5, strides=1,
                            padding='same', data_format='channels_last', activation=tf.nn.relu),
        keras.layers.MaxPool2D(pool_size=2, strides=2, padding='same'),  # 池化层此处padding='same'与卷积层的效果不同
        keras.layers.Conv2D(64, kernel_size=5, strides=1,
                            padding='same', data_format='channels_last', activation=tf.nn.relu),
        keras.layers.MaxPool2D(pool_size=2, strides=2, padding='same'),
        keras.layers.Flatten(),
        keras.layers.Dense(1024, activation=tf.nn.relu),
        keras.layers.Dense(100, activation=tf.nn.softmax),
    ])

    def __init__(self):
        (self.train, self.train_label), (self.test, self.test_label) = keras.datasets.cifar100.load_data()
        # print(self.train)
        # print(self.train.shape, self.train_label.shape)
        self.train = self.train.reshape(-1, 32, 32, 3) / 255.0  # "-1":代表未知数，原始数据本来就是(？, 32, 32, 3) 可以不用reshape
        self.test = self.test.reshape(-1, 32, 32, 3) / 255.0

    def compile(self):
        CNNCifar100.model.compile(optimizer=keras.optimizers.Adam(),
                               loss=tf.keras.losses.sparse_categorical_crossentropy,
                               metrics=['accuracy'])
        return None

    def fit(self):
        CNNCifar100.model.fit(self.train, self.train_label, epochs=1, batch_size=32)
        return None

    def evaluate(self):
        test_loss, test_acc = CNNCifar100.model.evaluate(self.test, self.test_label)
        print(test_loss, test_acc)
        return None


if __name__ == '__main__':
    cnn = CNNCifar100()
    cnn.compile()
    cnn.fit()
    cnn.evaluate()
    print(CNNCifar100.model.summary())
===运行结果：==========================================================
Epoch 1/1
   32/50000 [..............................] - ETA: 26:10 - loss: 4.6117 - acc: 0.0000e+00
   64/50000 [..............................] - ETA: 14:58 - loss: 4.6596 - acc: 0.0156    
   96/50000 [..............................] - ETA: 11:18 - loss: 4.6906 - acc: 0.0104
......
49952/50000 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 3.4632 - acc: 0.1822
49984/50000 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 3.4631 - acc: 0.1822
50000/50000 [==============================] - 238s 5ms/step - loss: 3.4631 - acc: 0.1822

   32/10000 [..............................] - ETA: 28s
   96/10000 [..............................] - ETA: 16s
  160/10000 [..............................] - ETA: 14s
......
 9888/10000 [============================>.] - ETA: 0s
 9952/10000 [============================>.] - ETA: 0s
10000/10000 [==============================] - 12s 1ms/step
损失评估结果： 2.957594190597534
准确率评估结果： 0.275

_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
conv2d (Conv2D)              multiple                  2432      
_________________________________________________________________
max_pooling2d (MaxPooling2D) multiple                  0         
_________________________________________________________________
conv2d_1 (Conv2D)            multiple                  51264     
_________________________________________________________________
max_pooling2d_1 (MaxPooling2 multiple                  0         
_________________________________________________________________
flatten (Flatten)            multiple                  0         
_________________________________________________________________
dense (Dense)                multiple                  4195328   
_________________________________________________________________
dense_1 (Dense)              multiple                  102500    
=================================================================
Total params: 4,351,524
Trainable params: 4,351,524
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________
None