CNN简介与实现

导语

CNN全称卷积神经网络，可谓声名远扬，被用于生活中的各个领域，也是最好理解的神经网络结构之一。

整体结构

相较于先前的神经网络，CNN出现了卷积层和池化层的概念，基本的组成模块是“卷积-ReLU-池化”，并且，在靠近输出或最后输出时时仍会采用“Affine-ReLU”、"Affine-ReLU"的组合，书上给出的示例图如下：

卷积层

在思考为什么要用卷积层之前，我们可以先来看看卷积层之前的全连接层有什么局限性，全连接层通常要求输入是一个一维的数组，即使原始数据是更高维的数据，如高、长、通道的三维图像，这个时候，使用全连接层，原始数据中的几何信息、点之间的相对位置等空间信息就都被清除了，这些信息其实很重要，因为点与点之间在高维空间的关联性是比一维更强的。

相比之下，卷积层就考虑到了这些空间信息，当输入为图像时，卷积层会以三维数据的形式接受输入数据，并且输出也是三维数据。

CNN中卷积层的输入输出数据被称作特征图，输入叫输入特征图，输出叫输出特征图。

卷积

卷积是卷积层的运算，类似与图像中的滤波器处理，具体做法如图（图源自网络，侵删）：

此图省略了卷积核，只给出了输入和结果，以该图为例，输入是一个4×4的矩阵，在矩阵上存在一个3×3的滑动窗口，窗口每次移动一个单位，每次对窗口内的矩阵A进行一次权重累和，具体的权重为同等大小的卷积核矩阵，具体的例子如下，$36=1\times 1+2\times 1+0\times 3+4\times 0+5\times 2+6\times 0+7\times 1+8\times 2+1\times 1$。

与全连接层一样，CNN中也存在偏置，对于算出的结果矩阵，对矩阵中的所有元素可以加上一个相同的偏置值。

填充

在进行卷积前，有时候要把数据拓宽，例如把4×4拓成6×6，如何拓宽呢很简单，把不够的部分都设置为同一个值就可以（一般是0或者1），具体操作如图（图源网络，侵删）：

这种做法，就叫做填充，使用填充主要是为了调整输出大小，在使用卷积核运算的时候，如果不进行填充，卷积的结果势必会在整体上变小（如4×4变成2×2），多次使用后，最后的结果就可能只有一个1，因此使用填充来避免这种情况的发生。

步幅

步幅很容易理解，就是滑动窗口的每次的移动距离，像下面这张图，就是步幅为2时候的卷积（图源网络，侵删）：

可以看到，增大步幅会使得输出变小，加上填充会变大，这个时候就可以根据两者关系列出卷积输出结果的公式了。

书上的描述如下（值除不尽四舍五入）：

三维卷积

在现实使用中，CNN的输入并不是一个单纯的二维矩阵，输入的图像时一个带有高、宽、通道的具体的特征图，以RGB为例，RGB图像是三通道，如果对RGB图像进行卷积，那么就要对图像上的每一个通道都使用一个卷积核，通道方向有多个特征图时，需要按照通道方向进行输入数据和滤波器的卷积运算，并将结果累和，生成一个新的二维矩阵。

立体化

当我们把输入和输出推向更一般的适用情况，多通道输入数据使用对应的多通道核，最后输出一张单个图，书上的例子如下，其中C为通道数、H为高度、W为长度。

如果要再通道方向上也拥有多个卷积运算的输出，就需要使用多个滤波器（权重），书上的图如下：

如果再考虑上偏置，书上给出的图如下：

批处理

通常，为了加快效率，神经网络会将输入数据进行一批批的打包，一次性处理一堆数据，为了处理一批数据，需要在上一张图的基础上加上批次，书上给出的图如下：

数据作为4维数据在各层之间传递，批处理将N次处理汇总成了1次进行。

实现

如果直接实现卷积运算，利用for循环，效率其实是不高的，况且python给出了更好的选择：im2col函数。

im2col将输入数据展开来适合卷积核的计算，书上给出的图如下：

这里更详细的解释一下，输入的是一个三维的数据，把每一面（二维）从左到右，从上到下，拉成一个一维的数组，然后把每个通道的一维数组拼起来，形成一个二维的矩阵，如果是多批次，就把这些矩阵首尾相连，形成一个更大的二维矩阵即可。

实际的卷积运算中，卷积核的应用区域几乎彼此重叠，因此，在使用im2col之后，展开的元素个数会多于原来的输入元素个数，所以会消耗更多的内存。

书上给出了用im2col进行卷积的流程：

还需要明晰的一点是，im2col的使用并不会损失原数据在空间上的信息，它只是为了方便进行矩阵对数据进行了一些处理，并且在最后恢复了原来的数据模式。

书上给出了im2col和基于im2col实现的卷积层代码如下：

def im2col(input_data, filter_h, filter_w, stride=1, pad=0):#输入，高，长，步幅，填充N, C, H, W = input_data.shapeout_h = (H + 2*pad - filter_h)//stride + 1#根据步长和高度计算输出的长高out_w = (W + 2*pad - filter_w)//stride + 1img = np.pad(input_data, [(0,0), (0,0), (pad, pad), (pad, pad)], 'constant')col = np.zeros((N, C, filter_h, filter_w, out_h, out_w))#设置一个空的拉伸之后的二维数组for y in range(filter_h):y_max = y + stride*out_hfor x in range(filter_w):x_max = x + stride*out_wcol[:, :, y, x, :, :] = img[:, :, y:y_max:stride, x:x_max:stride]col = col.transpose(0, 4, 5, 1, 2, 3).reshape(N*out_h*out_w, -1)return colClass Convolution:def __init__(self,W,b,stride=1,pad=0):#初始化赋值self.W=Wself.b=bself.stride=strideself.pad=paddef forward(self,x):FN,C,FH,FW=self.W.shapeN,C,H,W=x.shapeout_h=int(1+(H+2*self.pad-FH)/self.stride)#获得填充和卷积之后的规模out_w=int(1+(W+2*self.pad-FW)/self.stride)col=im2col(x,FH,FW,self.stride,self.pad)#拉伸#卷积层反向传播的时候，需要进行im2col的逆处理col_W=self.W.reshape(FN,-1).T#把卷积核展开out=np.dot(col,col_W)+self.bout=out.reshape(N,out_h,out_w,-1).transpose(0,3,1,2)#更改轴的顺序，NHWC变成NCHWreturn outdef backward(self, dout):FN, C, FH, FW = self.W.shapedout = dout.transpose(0,2,3,1).reshape(-1, FN)self.db = np.sum(dout, axis=0)self.dW = np.dot(self.col.T, dout)self.dW = self.dW.transpose(1, 0).reshape(FN, C, FH, FW)dcol = np.dot(dout, self.col_W.T)dx = col2im(dcol, self.x.shape, FH, FW, self.stride, self.pad)#逆运算return dx

池化层

简单来说，卷积是使用卷积核计算对应区域的乘积和，池化层是选取对应区域的最大值（也有其他的池化，比如平均值池化，指的是取对应区域的平均值作为输出），书上给出的例子如下：

特点

池化层的操作很简单，不需要像卷积层那样学习卷积核的参数，只需要提取最值或平均即可；其次，池化层的计算是按照通道独立进行的，输入和输出的通道数不会变化；最后，池化层对输入数据的微小偏差具有鲁棒性（例如目标区域的非最大值有变化，并不会影响池化层最后的输出）。

实现

池化层也是用im2col展开，但展开时在通道方向上是独立的，书上给的图示如下：

书上的实现代码如下：

class Pooling:def __init__(self, pool_h, pool_w, stride=1, pad=0):#初始化self.pool_h = pool_hself.pool_w = pool_wself.stride = strideself.pad = padself.x = Noneself.arg_max = Nonedef forward(self, x):#推理函数N, C, H, W = x.shapeout_h = int(1 + (H - self.pool_h) / self.stride)#拿到输出大小out_w = int(1 + (W - self.pool_w) / self.stride)col = im2col(x, self.pool_h, self.pool_w, self.stride, self.pad)#拉伸col = col.reshape(-1, self.pool_h*self.pool_w)#变成二维矩阵arg_max = np.argmax(col, axis=1)out = np.max(col, axis=1)#取最值out = out.reshape(N, out_h, out_w, C).transpose(0, 3, 1, 2)#还原成数据self.x = xself.arg_max = arg_maxreturn outdef backward(self, dout):#反向传播dout = dout.transpose(0, 2, 3, 1)pool_size = self.pool_h * self.pool_wdmax = np.zeros((dout.size, pool_size))dmax[np.arange(self.arg_max.size), self.arg_max.flatten()] = dout.flatten()dmax = dmax.reshape(dout.shape + (pool_size,)) dcol = dmax.reshape(dmax.shape[0] * dmax.shape[1] * dmax.shape[2], -1)dx = col2im(dcol, self.x.shape, self.pool_h, self.pool_w, self.stride, self.pad)return dx

CNN实现

将已经实现的各个层进行组合，就可以实现一个简单的CNN，书上给出了一个简单CNN的具体代码实现，具体图如下：

书上加上注释的代码如下：

class SimpleConvNet:def __init__(self, input_dim=(1, 28, 28), conv_param={'filter_num':30, 'filter_size':5, 'pad':0, 'stride':1},hidden_size=100, output_size=10, weight_init_std=0.01):#输入大小，卷积核数量，卷积核大小，填充，步幅，隐藏层神经元数量，输出大小，初始权重标准差filter_num = conv_param['filter_num']filter_size = conv_param['filter_size']filter_pad = conv_param['pad']filter_stride = conv_param['stride']input_size = input_dim[1]conv_output_size = (input_size - filter_size + 2*filter_pad) / filter_stride + 1pool_output_size = int(filter_num * (conv_output_size/2) * (conv_output_size/2))# 初始化权重self.params = {}self.params['W1'] = weight_init_std * \np.random.randn(filter_num, input_dim[0], filter_size, filter_size)self.params['b1'] = np.zeros(filter_num)self.params['W2'] = weight_init_std * \np.random.randn(pool_output_size, hidden_size)self.params['b2'] = np.zeros(hidden_size)self.params['W3'] = weight_init_std * \np.random.randn(hidden_size, output_size)self.params['b3'] = np.zeros(output_size)# 生成层self.layers = OrderedDict()self.layers['Conv1'] = Convolution(self.params['W1'], self.params['b1'],conv_param['stride'], conv_param['pad'])self.layers['Relu1'] = Relu()self.layers['Pool1'] = Pooling(pool_h=2, pool_w=2, stride=2)self.layers['Affine1'] = Affine(self.params['W2'], self.params['b2'])self.layers['Relu2'] = Relu()self.layers['Affine2'] = Affine(self.params['W3'], self.params['b3'])self.last_layer = SoftmaxWithLoss()#损失函数def predict(self, x):#预测值for layer in self.layers.values():x = layer.forward(x)return xdef loss(self, x, t):#计算损失y = self.predict(x)return self.last_layer.forward(y, t)def accuracy(self, x, t, batch_size=100):#计算准确度if t.ndim != 1 : t = np.argmax(t, axis=1)acc = 0.0for i in range(int(x.shape[0] / batch_size)):tx = x[i*batch_size:(i+1)*batch_size]tt = t[i*batch_size:(i+1)*batch_size]y = self.predict(tx)y = np.argmax(y, axis=1)acc += np.sum(y == tt) return acc / x.shape[0]def numerical_gradient(self, x, t):#求梯度，用数值微分方法loss_w = lambda w: self.loss(x, t)grads = {}for idx in (1, 2, 3):grads['W' + str(idx)] = numerical_gradient(loss_w, self.params['W' + str(idx)])grads['b' + str(idx)] = numerical_gradient(loss_w, self.params['b' + str(idx)])return gradsdef gradient(self, x, t):#误差反向传播求梯度# forwardself.loss(x, t)# backwarddout = 1dout = self.last_layer.backward(dout)layers = list(self.layers.values())layers.reverse()for layer in layers:dout = layer.backward(dout)# 设定grads = {}grads['W1'], grads['b1'] = self.layers['Conv1'].dW, self.layers['Conv1'].dbgrads['W2'], grads['b2'] = self.layers['Affine1'].dW, self.layers['Affine1'].dbgrads['W3'], grads['b3'] = self.layers['Affine2'].dW, self.layers['Affine2'].dbreturn grads

训练所需要的时间相较于先前的方法比较久，但是得到的结果识别率更高，具体训练结果如下：

可视化

“卷积”是一种数学运算，逻辑上其实很难理解到它的用处，因此，书上给出了对卷积作用更加直接的展现方式，以上一部分学习前和学习后的卷积核为例，各个卷积核的权重图如下：

学习前：

学习后：

可以明显的看到，学习前杂乱无章的权重矩阵，在学习后变得有迹可循，明显有些区域的权重更深一些，那么，这些权重更大的部分对应的目标究竟是什么呢？

书上给出了答案：这些卷积核在学习边缘（颜色变化的分界线）和斑块（局部的块状区域），例如黑白分界线，可以根据手写数字识别的例子想象，手写的数字是黑色，背景是白色，那么卷积核的目标就是使得模型对黑色的部分更加敏感，权重更大。

上述的结果是只进行了一次卷积得到的，随着层次的加深，提取的信息也会越来越抽象，在深度学习中，最开始层会对简单的边缘有响应，接下来是对纹理，在接下来是对更复杂的性质，随着层次递增，模型的目标会从简单的形状进化到更高级的信息。

总结

本章详细介绍了CNN的构造，对卷积层、池化层进行了从零开始的实现，但是对反向传播的部分只给出了代码实现。最重要的还是对im2col的理解，明白了im2col的原理，卷积层、池化层乃至反向传播的实现，这些问题就迎刃而解了。

基于最基本的CNN，后续还有更多功能强大，网络结构更深的CNN网络，如LeNet（激活函数为sigmod，使用子采样缩小中间数据大小，而不是卷积、池化）还有AlexNet（多个卷积层和池化层，激活函数为sigmod，使用进行局部正规化的LRN层，使用Dropout）等。

参考文献

1. 【Pytorch实现】——深入理解im2col（详细图解）
2. 12张动图帮你看懂卷积神经网络到底是什么
3. 《深度学习入门——基于Python的理论与实现》