CNN 网络结构简介

本文通过整理李宏毅老师的机器学习教程的内容，介绍 CNN（卷积神经网络）的网络结构。

CNN 网络结构, 李宏毅
课程讲义

CNN 主要应用在图像识别（image classification, 图像分类）领域。

通常，输入的图片大小相同，如 $100\times 100$，输出的分类为 one-hot 形式：

输入数据的格式为 tensor（张量），维数为：宽度 $\times$ 高度 $\times$ channel（频道）数：

理解方式一：神经元视角（neuron version story）

如果使用全连接（fully connected network）的网络结构，参数量会非常大：

考虑到图片识别问题的特性，其实并不需要全连接的网络，下面基于此进行简化。

感受野

图像识别本质上是对图像中的各个部位进行识别，如一只鸟的喙、眼和爪等，因此每个神经元（neuron）只需输入图片的一部分即可，即感受野（receptive field）：

值得注意的是：

• 不同神经元的感受野可以重叠；
• 同一个感受野也可以有多个神经元用以侦测不同的特征：
  
  
  

此外，感受野还可以有一些其他的操作：

• 可以有大有小；
• 可以只考虑部分 channel，在通常的 CNN 中不常见，但在 network corporation 时会遇到；
• 可以是长方形；
• 理论上甚至可以不相连，但是要想清楚这样做的理由。

总之，感受野可以任意设计。

最经典的感受野的设计如下：

• 考虑所有 channel，因此只需要输入宽度和高度即可，宽度和高度合称为 kernel size；
• kernal size 往往不会很大，如 $3\times 3$，后面会解释如何对更大范围的模式（pattern）进行识别；
• 同一个感受野会有多个神经元；
• 感受野的移动步长（stride）不要太大，通常为 1 或 2，希望感受野之间有重叠，防止感受野交界上的模式被遗漏；
• 对于位于边界上、超出范围的感受野，需要对超出的位置进行补值（padding），通常补 0，也有其他补值方法，如补全图的平均值，或补边界值等；
• 感受野整体要覆盖全图。
  
  

参数共享

由于同样的模式可能出现在图片的不同位置：

于是侦测不同位置的相同模式的神经元，其对应的参数相同，即参数共享：

侦测相同位置的神经元不能共享参数。

共享的参数叫做滤波器（filter）：

综上所述，以上两种 CNN 对全连接网络的简化方式：

理解方式二：滤波器视角（filter version story）

将每个卷积层（convolutional layer）视为若干滤波器扫过整张图片，去识别对应的模式：

同一卷积层的所有滤波器输出的所有数据叫做 feature map，它可以看成是另一张图片，只不过 channel 数量由 3 个（RGB）变成了滤波器的数量，因此下一层的滤波器的高度需要设为上一层的滤波器数量：

当网络更深时，同样大小的感受野所看到的范围会越来越大，例如，同样是 $3\times 3$ 的感受野，在第二层就可以看到原图片中 $5\times 5$ 的范围：

此外，第一种理解方式中的参数共享，即是把滤波器扫过整张图片的过程。

两种理解方式总结如下：

有关 pooling

pooling 即 subsampling，是把一张大的图片缩小，以减少运算量的过程。
常见的 pooling 方式为 max pooling，即保留最大值：

通常是做一层或几层卷积后，做一次 pooling，整体网络结构如下：

但近年来，pooling 用得越来越少，甚至可有可无，因为其操作会影响性能，而运算资源又越来越强。

AlphaGo 的网络结构

其中，rectifier nonlinearity 即为 ReLU。

此外，AlphaGo 没有使用 pooling。

局限性

CNN 无法处理图片放大缩小或旋转的情形，解决方案有：

• 数据增强（data augmentation），即把训练资料的每张图片都截成小块再放大，并把每张图片都旋转，使网络看到放大和旋转后的图片；
• 使用 spatial transformer layer。