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卷积神经网络理论

发布时间 2023-03-22 21:18:31作者: Laplace蒜子

卷积基本概念

卷积操作

感受野计算

RFi  = ( RFi+1 - 1)x si +Ki
si为第i层的步长，
Ki为第i层卷积核大小。

数据填充

图像填充后卷积输出的维度：

n：图像大小

f：卷积核大小

p：填充的层数

s：卷积核的步幅

卷积模式

Full：全填充，扩大原图
Same：填充保持原图大小
Valid：不填充

激活函数

作用

加入非线性因素，提高网络的表达能力。

常用激活函数

Identity：稳定，适合线性任务。
ReLU：计算速度快，不存在梯度消失问题（输入为正），可能丢失一些特征，输入为负导致权重无法更新（神经元死亡）
Parametric ReLU(PReLu)：收敛速度快，解决神经元死亡问题。工作量大（额外参数）
ELU：适合噪声，易收敛，计算量大，收敛慢。
Maxout函数：缓解梯度消失，解决神经元死亡，额外计算量。
CNN首选ReLU和较小的学习率，其次考虑Leaky ReLU，PReLU，ELU，Maxout

特征图

浅层卷积层：提取的是图像基本特征，如边缘、方向和纹理等特征。
深层卷积层：提取的是图像高阶特征，出现了高层语义模式， 如“车轮”、“人脸”等特征。

基本结构

池化层

工作方式

分为最大或平均池化，根据某个位置相邻区域的总体统计特征作为该位置

作用

        1. 减少计算量，防止过拟合。
        2. 增强网络对输入图像中的小变形、扭曲、平移的鲁棒性。
        3. 防止图像因为尺寸改变影响结果。

全连接层

工作方式

将两层神经元全连接方式接在一起，后一层的神经元个数决定输出，也就是降维处理后的维度。

作用

降维

输出层

分类问题：Softmax函数
回归问题：线性函数

经典神经网络

LeNet

结构：卷积-池化-卷积-池化-卷积-全连接-输出

AlexNet

结构：卷积-池化-卷积-池化-卷积-卷积-卷积-池化-输出

在结构上相当于将LeNet 全连接层 替换成了 卷积-卷积-池化结构。

激活函数：ReLU。
避免过拟合：使了用Dropout。
特点：重叠最大池化。

VGGNet

特点

卷积层卷积核均为3*3，步长均为1；池化层池化核均为2*2。

结构

两个3*3卷积核与5*5卷积核性能对比

两个3*3卷积核计算效率更高，参数更少，其间还可以插入ReLU，感受野却和一个5*5卷积核一致。虽然深度增加了，但是参数却更少。

Inception Net

特点

去掉了全连接。

结构

深度：22层。
宽度：4个分支。

1×1的卷积的作用

• 可以跨通道组织信息，来提高网络的表达能力;
• 可以对输出通道进行升维和降维；如28x28x192维数据可以通过卷积核1x1x32降低到28x28x32的数据。

ResNet（残差神经网络，ImageNet 2015冠军）

优点

解决梯度消失和梯度爆炸问题

核心

残差块，跳跃连接。（这也是梯度消失或梯度爆炸问题的解决方案）

将u拆分为传统的连接加上一个跳跃的连接

求导得到：

最终相当于原始传统的梯度再加上一个额外的值，就不会出现梯度消失或梯度爆炸的问题。

优点

有了跳跃连接，可以让网络更深。

DenseNet

借助了跳跃连接的优点，每一层都使用前面所有层的特征映射作为输入。可以扩展到上百层而不会出现梯度消失或梯度爆炸的问题。

优点

      1. 缓解了消失梯度问题
      2. 加强了特征传播，鼓励特征重用
      3. 一定程度上减少了参数的数量

 

R-CNN

主要用于目标检测

目标检测衡量标准

      1. 类别正确且置信度大于一定阈值
      2. 预测框与真实框的IoU大于一定阈值 

IoU=Intersection / Union。

Intersection：是交集

Union：并集

流程

区域划分：对输入图像，提取多个类别独立候选区（候选区也就是Proposal），用是 Selective Search算法。
特征提取：使用AlexNet提取每个区域的特征。
目标分类：SVM分类每个区域。
边框回归：Bbox回归，对边框坐标偏移优化和调整。（因为是有监督学习，每个区域都进行人工标注了，所以要对候选框修正到人工标注的框）

Selective Search算法

图像中物体可能存在的区域应该有某些相似性或者连续性的，采用子区域合并的方法

        1. 图像分割
        2. 计算每个相邻区域的相似度
        3. 合并两个最相似的区域，放入集合中。
        4. 删除合并前与之有关联的所有区域
        5. 计算新集与所有子集相似度。

 

Bbox回归

平移，缩放调整物体边框，使得预测的框与标定的框尽可能的接近。

缺点

每个Proposal独立提取CNN特点，分布训练。

改进

SPPNet

SPPNet提出空间金字塔网络。在最后一个卷积层之后插入一个SPP层(或替换原卷积层之后的池化层)，在最后一个卷积层之后的特征图上，划分粗细尺度不同的几级均匀网格。对每级网格中的每个单元，使用最大值池化或平均值池化，池化之后的结果融合在一起，构成长度固定的特征向量。

Fast R-CNN

采用联合学习，把SVM、Bbox回归和CNN阶段一起训练。

最后一层的Softmax换成两个：一个是对区域的分类Softmax，另一个是对Bounding box的微调。

ROI Pooling层：每个选取均匀划分，最大池化，将大小不一选取转变为大小统一的数据送入下一层。

max pooling -> 3x3 feature

Faster R-CNN

RPN(Region Proposal Network)：使用全卷积神经网络来生成区域建议（Region proposal），替代之前的Selective search。

Region Proposal Network和Fast R-CNN两个网络交替训练。

一秒钟可以识别5幅图像。

YOLO系列

将图像划分成一个个小网格，每个网格训练属于自己的类，属于背景或者实物。最终合并。

优点

背景误检率低
速度快，实时性好，

缺点

准确率低于R-CNN,不适用小物体检测。

改进