第7章——深度学习入门（鱼书）

news2024/9/22 1:27:19

第7章卷积神经网络

本章的主题是卷积神经网络（ Convolutional Neural Network ， CNN ）。CNN 被用于图像识别、语音识别等各种场合，在图像识别的比赛中，基于深度学习的方法几乎都以 CNN 为基础。本章将详细介绍 CNN 的结构，并用Python 实现其处理内容。

7.1 整体结构

首先，来看一下 CNN 的网络结构，了解 CNN 的大致框架。 CNN 和之前介绍的神经网络一样，可以像乐高积木一样通过组装层来构建。不过，CNN 中新出现了卷积层（ Convolution 层）和池化层（ Pooling 层）。卷积层和池化层将在下一节详细介绍，这里我们先看一下如何组装层以构建 CNN 。之前介绍的神经网络中，相邻层的所有神经元之间都有连接，这称为全连接（fully-connected）。另外，我们用 Affine 层实现了全连接层。如果使用这个 Affine 层，一个 5 层的全连接的神经网络就可以通过图 7-1 所示的网络结构来实现。

如图 7-1 所示，全连接的神经网络中， Affine 层后面跟着激活函数 ReLU层（或者 Sigmoid 层）。这里堆叠了 4 层“ Affine-ReLU ”组合，然后第 5 层是Affine 层，最后由 Softmax 层输出最终结果（概率）。

那么， CNN 会是什么样的结构呢？图 7-2 是 CNN 的一个例子。

如图 7-2 所示， CNN 中新增了 Convolution 层和 Pooling 层。 CNN 的层的连接顺序是“Convolution - ReLU -（Pooling）”（Pooling层有时会被省略）。这可以理解为之前的“ Affi ne - ReLU ”连接被替换成了“ Convolution -ReLU - （ Pooling ）”连接。

还需要注意的是，在图 7-2 的 CNN 中，靠近输出的层中使用了之前的“ Affine - ReLU ”组合。此外，最后的输出层中使用了之前的“ Affine -Softmax ”组合。这些都是一般的 CNN 中比较常见的结构。

7.2 卷积层

CNN 中出现了一些特有的术语，比如填充、步幅等。此外，各层中传递的数据是有形状的数据（比如， 3 维数据），这与之前的全连接网络不同，因此刚开始学习 CNN 时可能会感到难以理解。本节我们将花点时间，认真学习一下 CNN 中使用的卷积层的结构。

7.2.1　全连接层存在的问题

之前介绍的全连接的神经网络中使用了全连接层（Affine层）。在全连接层中，相邻层的神经元全部连接在一起，输出的数量可以任意决定。全连接层存在什么问题呢？那就是数据的形状被“忽视”了。

比如，输入数据是图像时，图像通常是高、长、通道方向上的 3 维形状。但是，向全连接层输入时，需要将 3 维数据拉平为 1 维数据。实际上，前面提到的使用了 MNIST 数据集的例子中，输入图像就是 1 通道、高 28 像素、长 28 像素的（ 1 , 28 , 28 ）形状，但却被排成 1 列，以 784 个数据的形式输入到最开始的Affine 层。

图像是 3 维形状，这个形状中应该含有重要的空间信息。比如，空间上邻近的像素为相似的值、 RBG 的各个通道之间分别有密切的关联性、相距较远的像素之间没有什么关联等， 3 维形状中可能隐藏有值得提取的本质模式。但是，因为全连接层会忽视形状，将全部的输入数据作为相同的神经元（同一维度的神经元）处理，所以无法利用与形状相关的信息。

而卷积层可以保持形状不变。当输入数据是图像时，卷积层会以 3 维数据的形式接收输入数据，并同样以 3 维数据的形式输出至下一层。因此，在 CNN 中，可以（有可能）正确理解图像等具有形状的数据。