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[人工智能]深度学习-卷积神经网络

为什么用CNN

我们都知道CNN常常被用在影像处理上,如果你今天用CNN来做影像处理,当然也可以用一般的neural network来做影像处理,不一定要用CNN。比如说你想要做影像的分类,那么你就是training一个neural network,input一张图片,那么你就把这张图片表示成里面的pixel,也就是很长很长的vector。output就是(假如你有1000个类别,output就是1000个dimension)dimension。那我相信根据刚才那堂课内容,若给你一组training data你都可以描作出来。
在这里插入图片描述
但是呢,我们现在会遇到的问题是这样的,实际上我们在training neural network时,我们会期待说:在network的structure里面,每一个neural就是代表了一个最基本的classifier,事实在文件上根据训练的结果,你有可能会得到很多这样的结论。举例来说:第一层的neural是最简单的classifier,它做的事情就是detain有没有绿色出现,有没有黄色出现,有没有斜的条纹。

第二个layer是做比这个更复杂的东西,根据第一个layer的output,它看到直线横线就是窗框的一部分,看到棕色纹就是木纹,看到斜条纹+灰色可能是很多的东西(轮胎的一部分等等)

再根据第二个hidden layer的outpost,第三个hidden layer会做更加复杂的事情。

但现在的问题是这样的,当我们一般直接用fully connect feedforward network来做影像处理的时候,往往我们会需要太多的参数,举例来说,假设这是一张100 *100的彩色图(一张很小的imgage),你把这个拉成一个vector,(它有多少个pixel),它有100 *100 3的pixel。 如果是彩色图的话,每个pixel需要三个value来描述它,就是30000维(30000 dimension),那input vector假如是30000dimension,那这个hidden layer假设是1000个neural,那么这个hidden layer的参数就是有30000 *1000,那这样就太多了。那么CNN做的事就是简化neural network的架构。我们把这里面一些根据人的知识,我们根据我们对影像就知道,某些weight用不上的,我们一开始就把它滤掉。不是用fully connect feedforward network,而是用比较少的参数来做影像处理这件事。所以CNN比一般的DNN还要简单的。

等一下我们讲完会觉得发现说:你可能觉得CNN运作很复杂,但事实上它的模型是要比DNN还要更简单的。我们就是用power-knowledge 去把原来fully connect layer中一些参数拿掉就成了CNN。

Small region

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我们先来讲一下,为什么我们有可能把一些参数拿掉(为什么可以用比较少的参数可以来做影像处理这件事情)

这里有几个观察,第一个是在影像处理里面,我们说第一层的 hidden layer那些neural要做的事就是侦测某一种pattern,有没有某一种patter出现。大部分的pattern其实要比整张的image还要小,对一个neural来说,假设它要知道一个image里面有没有某一个pattern出现,它其实是不需要看整张image,它只要看image的一小部分。

举例来说,假设我们现在有一张图片,第一个hidden layer的某一种neural的工作就是要侦测有没有鸟嘴的存在(有一些neural侦测有没有爪子的存在,有没有一些neural侦测有没有翅膀的存在,有没有尾巴的存在,合起来就可以侦测图片中某一只鸟)。假设有一个neural的工作是要侦测有没有鸟嘴的存在,那并不需要看整张图,其实我们只需要给neural看着一小红色方框的区域(鸟嘴),它其实就可以知道说,它是不是一个鸟嘴。对人来说也是一样,看这一小块区域这是鸟嘴,不需要去看整张图才知道这件事情。所以,每一个neural连接到每一个小块的区域就好了,不需要连接到整张完整的图。

Same Patterns

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第二个观察是这样子,同样的pattern在image里面,可能会出现在image不同的部分,但是代表的是同样的含义,它们有同样的形状,可以用同样的neural,同样的参数就可以把patter侦测出来。

比如说,这张图里面有一张在左上角的鸟嘴,在这张图里面有一个在中央的鸟嘴,但是你并不需要说:我们不需要去训练两个不同的detector,一个专门去侦测左上角的鸟嘴,一个去侦测中央有没有鸟嘴。如果这样做的话,这样就太冗了。我们不需要太多的冗源,这个nerual侦测左上角的鸟嘴跟侦测中央有没有鸟嘴做的事情是一样的。我们并不需要两个neural去做两组参数,我们就要求这两个neural用同一组参数,就样就可以减少你需要参数的量

Subsampling

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第三个是:我们知道一个image你可以做subsampling,你把一个image的奇数行,偶数列的pixel拿掉,变成原来十分之一的大小,它其实不会影响人对这张image的理解。对你来说:这张image跟这张image看起来可能没有太大的差别。是没有太大的影响的,所以我们就可以用这样的概念把image变小,这样就可以减少你需要的参数。

CNN架构

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所以整个CNN的架构是这样的,首先input一张image以后,这张image会通过convolution layer,接下里做max pooling这件事,然后在做convolution,再做max pooling这件事。这个process可以反复无数次,反复的次数你觉得够多之后,(但是反复多少次你是要事先决定的,它就是network的架构(就像你的neural有几层一样),你要做几层的convolution,做几层的Max Pooling,你再定neural架构的时候,你要事先决定好)。你做完决定要做的convolution和Max Pooling以后,你要做另外一件事,这件事情叫做flatten,再把flatten的output丢到一般fully connected feedforward network,然后得到影像辨识的结果。
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我们刚才讲基于三个对影像处理的观察,所以设计了CNN这样的架构。

第一个观察是,要生成一个pattern,不要看整张的image,你只需要看image的一小部分。第二是,通用的pattern会出现在一张图片的不同的区域。第三个是,我们可以做subsampling

前面的两个property可以用convolution来处理掉,最后的property可以用Max Pooling这件事来处理。等一下我们要介绍每一个layer再做的事情,我们就先从convolution开始看起。

Convolution

Propetry1

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假设现在我们的network的input是一张6*6的Image,如果是黑白的,一个pixel就只需要用一个value去描述它,1就代表有涂墨水,0就代表没有涂到墨水。那在convolution layer里面,它由一组的filter,(其中每一个filter其实就等同于是fully connect layer里面的一个neuron),每一个filter其实就是一个matrix(3 *3),这每个filter里面的参数(matrix里面每一个element值)就是network的parameter(这些parameter是要学习出来的,并不是需要人去设计的)

每个filter如果是3* 3的detects意味着它就是再侦测一个3 *3的pattern(看3 *3的一个范围)。在侦测pattern的时候不看整张image,只看一个3 *3的范围内就可以决定有没有某一个pattern的出现。这个就是我们考虑的第一个Property.

Propetry2

在这里插入图片描述
这个filter咋样跟这个image运作呢?首先第一个filter是一个3* 3的matrix,把这个filter放在image的左上角,把filter的9个值和image的9个值做内积,两边都是1,1,1(斜对角),内积的结果就得到3。(移动多少是事先决定的),移动的距离叫做stride(stride等于多少,自己来设计),内积等于-1。stride等于2,内积等于-3。我们先设stride等于1。
在这里插入图片描述
你把filter往右移动一格得到-1,再往右移一格得到-3,再往右移动一格得到-1。接下里往下移动一格,得到-3。以此类推(每次都移动一格),直到你把filter移到右下角的时候,得到-1(得到的值如图所示)

经过这件事情以后,本来是6 *6的matrix,经过convolution process就得到4 *4的matrix。如果你看filter的值,斜对角的值是1,1,1。所以它的工作就是detain1有没有1,1,1(连续左上到右下的出现在这个image里面)。比如说:出现在这里(如图所示蓝色的直线),所以这个filter就会告诉你:左上跟左下出现最大的值

就代表说这个filter要侦测的pattern,出现在这张image的左上角和左下角,这件事情就考虑了propetry2。同一个pattern出现在了左上角的位置跟左下角的位置,我们就可以用filter 1侦测出来,并不需要不同的filter来做这件事。
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在一个convolution layer 里面会有很多的filter(刚才只是一个filter的结果),那另外的filter会有不同的参数(图中显示的filter2),它也做跟filter1一模一样的事情,在filter放到左上角再内积得到结果-1,依次类推。你把filter2跟 input image做完convolution之后,你就得到了另一个4*4的matrix,红色4 *4的matrix跟蓝色的matrix合起来就叫做feature map,看你有几个filter,你就得到多少个image(你有100个filter,你就得到100个4 4的image)
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刚才举的例子是一张黑白的image,所以input是一个matrix。若今天换成彩色的image,彩色的image是由RGB组成的,所以,一个彩色的image就是好几个matrix叠在一起,就是一个立方体。如果要处理彩色image,这时候filter不是一个matrix,filter而是一个立方体。如果今天是RGB表示一个pixel的话,那input就是3
6 *6,那filter就是3 *3 *3。

在做convolution的话,就是将filter的9个值和image的9个值做内积(不是把每一个channel分开来算,而是合在一起来算,一个filter就考虑了不同颜色所代表的channel)

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