圖網路全連接層

1. 畫出一個典型chn網路結構圖,並描述各部分的作用

摘要 您好 CNN的基本結構：

2. 為什麼在卷積神經網路中全連接層4096維特徵向量

通常為了計算的優化等緣故，維度一般取2的指數。
全連接層後續計算loss，總共類別應該會有上千類，所以之前的layer最好也是1000這種規模，所以一般取1024,2048,4096等。

通過在數據集上進行測試，可以跑出來一個結果比較好的網路結構

3. 卷積神經網路用全連接層的參數是怎麼確定的

卷積神經網路用全連接層的參數確定：卷積神經網路與傳統的人臉檢測方法不同，它是通過直接作用於輸入樣本，用樣本來訓練網路並最終實現檢測任務的。

它是非參數型的人臉檢測方法，可以省去傳統方法中建模、參數估計以及參數檢驗、重建模型等的一系列復雜過程。本文針對圖像中任意大小、位置、姿勢、方向、膚色、面部表情和光照條件的人臉。

輸入層

卷積神經網路的輸入層可以處理多維數據，常見地，一維卷積神經網路的輸入層接收一維或二維數組，其中一維數組通常為時間或頻譜采樣；二維數組可能包含多個通道；二維卷積神經網路的輸入層接收二維或三維數組；三維卷積神經網路的輸入層接收四維數組。

由於卷積神經網路在計算機視覺領域應用較廣，因此許多研究在介紹其結構時預先假設了三維輸入數據，即平面上的二維像素點和RGB通道。

4. 線性層和全連接層的區別

線性層和全連接層沒有區別。線性層即全連接層。

全連接層，是每一個結點都與上一層的所有結點相連，用來把前邊提取到的特徵綜合起來。由於其全相連的特性，一般全連接層的參數也是最多的。

例如在VGG16中，第一個全連接層FC1有4096個節點，上一層POOL2是7*7*512 = 25088個節點，則該傳輸需要4096*25088個權值，需要耗很大的內存。

卷積神經網路的全連接層

在 CNN 結構中，經多個卷積層和池化層後，連接著1個或1個以上的全連接層。與 MLP 類似，全連接層中的每個神經元與其前一層的所有神經元進行全連接。全連接層可以整合卷積層或者池化層中具有類別區分性的局部信息。為了提升 CNN 網路性能，全連接層每個神經元的激勵函數一般採用 ReLU 函數。

最後一層全連接層的輸出值被傳遞給一個輸出，可以採用 softmax 邏輯回歸（softmax regression）進行分類，該層也可稱為 softmax 層（softmax layer）。對於一個具體的分類任務，選擇一個合適的損失函數是十分重要的，CNN 有幾種常用的損失函數，各自都有不同的特點。通常，CNN 的全連接層與 MLP 結構一樣，CNN 的訓練演算法也多採用BP演算法。

5. 卷積神經網路為什麼最後接一個全連接層

在常見的卷積神經網路的最後往往會出現一兩層全連接層，全連接一般會把卷積輸出的二維特徵圖（feature map）轉化成（N*1）一維的一個向量
全連接的目的是什麼呢？因為傳統的端到到的卷積神經網路的輸出都是分類（一般都是一個概率值），也就是幾個類別的概率甚至就是一個數--類別號，那麼全連接層就是高度提純的特徵了，方便交給最後的分類器或者回歸。

但是全連接的參數實在是太多了，你想這張圖里就有20*12*12*100個參數，前面隨便一層卷積，假設卷積核是7*7的，厚度是64，那也才7*7*64，所以現在的趨勢是盡量避免全連接，目前主流的一個方法是全局平均值。也就是最後那一層的feature map（最後一層卷積的輸出結果），直接求平均值。有多少種分類就訓練多少層，這十個數字就是對應的概率或者叫置信度。

6. CNN中卷積層、池化層和全連接層分別有什麼作用和區別

如下：

卷積層：提取特徵。「不全連接，參數共享」的特點大大降低了網路參數，保證了網路的稀疏性，防止過擬合。之所以可以「參數共享」，是因為樣本存在局部相關的特性。

池化層：有MaxPool和AveragePool等。其中MaxPool應用廣泛。因為經過MaxPool可以減小卷積核的尺寸，同時又可以保留相應特徵，所以主要用來降維。

全連接層：在全連接的過程中丟失位置信息，可以理解為降低了學習過程中的參數敏感度；很多分類問題需要通過softmax層進行輸出；進行非線性變換等等。但是現在已經有很多網路結構去掉了最後的全連接層。我也是入坑沒多久，對這一點理解仍很粗淺。

7. 吳恩達 卷積神經網路 CNN

應用計算機視覺時要面臨的一個挑戰是數據的輸入可能會非常大。例如一張 1000x1000x3 的圖片，神經網路輸入層的維度將高達三百萬，使得網路權重 W 非常龐大。這樣會造成兩個後果：

神經網路結構復雜，數據量相對較少，容易出現過擬合；
所需內存和計算量巨大。
因此，一般的神經網路很難處理蘊含著大量數據的圖像。解決這一問題的方法就是使用卷積神經網路

我們之前提到過，神經網路由淺層到深層，分別可以檢測出圖片的邊緣特徵、局部特徵（例如眼睛、鼻子等），到最後面的一層就可以根據前面檢測的特徵來識別整體面部輪廓。這些工作都是依託卷積神經網路來實現的。

卷積運算（Convolutional Operation）是卷積神經網路最基本的組成部分。我們以邊緣檢測為例，來解釋卷積是怎樣運算的。

圖片最常做的邊緣檢測有兩類：垂直邊緣（Vertical Edges）檢測和水平邊緣（Horizontal Edges）檢測。

比如檢測一張6x6像素的灰度圖片的vertical edge，設計一個3x3的矩陣（稱之為filter或kernel），讓原始圖片和filter矩陣做卷積運算（convolution），得到一個4x4的圖片。 具體的做法是，將filter矩陣貼到原始矩陣上（從左到右從上到下），依次可以貼出4x4種情況。 讓原始矩陣與filter重合的部分做element wise的乘積運算再求和 ，所得的值作為4x4矩陣對應元素的值。如下圖是第一個元素的計算方法，以此類推。

可以看到，卷積運算的求解過程是從左到右，由上到下，每次在原始圖片矩陣中取與濾波器同等大小的一部分，每一部分中的值與濾波器中的值對應相乘後求和，將結果組成一個矩陣。

下圖對應一個垂直邊緣檢測的例子：

如果將最右邊的矩陣當作圖像，那麼中間一段亮一些的區域對應最左邊的圖像中間的垂直邊緣。

下圖3x3濾波器，通常稱為垂直 索伯濾波器 （Sobel filter）：

看看用它來處理知名的Lena照片會得到什麼：

現在可以解釋卷積操作的用處了：用輸出圖像中更亮的像素表示原始圖像中存在的邊緣。

你能看出為什麼邊緣檢測圖像可能比原始圖像更有用嗎？

回想一下MNIST手寫數字分類問題。在MNIST上訓練的CNN可以找到某個特定的數字。比如發現數字1，可以通過使用邊緣檢測發現圖像上兩個突出的垂直邊緣。

通常，卷積有助於我們找到特定的局部圖像特徵（如邊緣），用在後面的網路中。

假設輸入圖片的大小為 n×n，而濾波器的大小為 f×f，則卷積後的輸出圖片大小為 (n−f+1)×(n−f+1)。

這樣就有兩個問題：

為了解決這些問題，可以在進行卷積操作前，對原始圖片在邊界上進行填充（Padding），以增加矩陣的大小。通常將 0 作為填充值。

設每個方向擴展像素點數量為 p，則填充後原始圖片的大小為 (n+2p)×(n+2p)，濾波器大小保持 f×f不變，則輸出圖片大小為 (n+2p−f+1)×(n+2p−f+1)。

因此，在進行卷積運算時，我們有兩種選擇：

在計算機視覺領域，f通常為奇數。原因包括 Same 卷積中 p=（f−1）/ 2 能得到自然數結果，並且濾波器有一個便於表示其所在位置的中心點。

卷積過程中，有時需要通過填充來避免信息損失，有時也需要通過設置 步長（Stride） 來壓縮一部分信息。

步長表示濾波器在原始圖片的水平方向和垂直方向上每次移動的距離。之前，步長被默認為 1。而如果我們設置步長為 2，則卷積過程如下圖所示：

設步長為 s，填充長度為p, 輸入圖片大小為n x n, 濾波器大小為f x f, 則卷積後圖片的尺寸為：

注意公式中有一個向下取整的符號，用於處理商不為整數的情況。向下取整反映著當取原始矩陣的圖示藍框完全包括在圖像內部時，才對它進行運算。

如果我們想要對三通道的 RGB 圖片進行卷積運算，那麼其對應的濾波器組也同樣是三通道的。過程是將每個單通道（R，G，B）與對應的濾波器進行卷積運算求和，然後再將三個通道的和相加，將 27 個乘積的和作為輸出圖片的一個像素值。

如果想同時檢測垂直和水平邊緣，或者更多的邊緣檢測，可以增加更多的濾波器組。例如設置第一個濾波器組實現垂直邊緣檢測，第二個濾波器組實現水平邊緣檢測。設輸入圖片的尺寸為 n×n×nc（nc為通道數），濾波器尺寸為 f×f×nc，則卷積後的輸出圖片尺寸為 (n−f+1)×(n−f+1)×n′c，n′c為濾波器組的個數。

與之前的卷積過程相比較，卷積神經網路的單層結構多了激活函數和偏移量；而與標准神經網路相比，濾波器的數值對應著權重 W[l]，卷積運算對應著 W[l]與 A[l−1]的乘積運算，所選的激活函數變為 ReLU。

對於一個 3x3x3 的濾波器，包括偏移量 b（27+1）在內共有 28 個參數。不論輸入的圖片有多大，用這一個濾波器來提取特徵時，參數始終都是 28 個，固定不變。即選定濾波器組後，參數的數目與輸入圖片的尺寸無關。因此，卷積神經網路的參數相較於標准神經網路來說要少得多。這是 CNN 的優點之一。

圖像中的相鄰像素傾向於具有相似的值，因此通常卷積層相鄰的輸出像素也具有相似的值。這意味著，卷積層輸出中包含的大部分信息都是冗餘的。如果我們使用邊緣檢測濾波器並在某個位置找到強邊緣，那麼我們也可能會在距離這個像素1個偏移的位置找到相對較強的邊緣。但是它們都一樣是邊緣，我們並沒有找到任何新東西。池化層解決了這個問題。這個網路層所做的就是通過減小輸入的大小降低輸出值的數量。池化一般通過簡單的最大值、最小值或平均值操作完成。以下是池大小為2的最大池層的示例:

在計算神經網路的層數時，通常只統計具有權重和參數的層，因此池化層通常和之前的卷積層共同計為一層。

圖中的 FC3 和 FC4 為全連接層，與標準的神經網路結構一致。

個人推薦 一個直觀感受卷積神經網路的網站 。

相比標准神經網路，對於大量的輸入數據，卷積過程有效地減少了 CNN 的參數數量，原因有以下兩點：

-參數共享（Parameter sharing）：特徵檢測如果適用於圖片的某個區域，那麼它也可能適用於圖片的其他區域。即在卷積過程中，不管輸入有多大，一個特徵探測器（濾波器）就能對整個輸入的某一特徵進行探測。

-稀疏連接（Sparsity of connections）：在每一層中，由於濾波器的尺寸限制，輸入和輸出之間的連接是稀疏的，每個輸出值只取決於輸入在局部的一小部分值。

池化過程則在卷積後很好地聚合了特徵，通過降維來減少運算量。

由於 CNN 參數數量較小，所需的訓練樣本就相對較少，因此在一定程度上不容易發生過擬合現象。並且 CNN 比較擅長捕捉區域位置偏移。即進行物體檢測時，不太受物體在圖片中位置的影響，增加檢測的准確性和系統的健壯性。

在神經網路可以收斂的前提下，隨著網路深度增加，網路的表現先是逐漸增加至飽和，然後迅速下降

需要注意，網路退化問題不是過擬合導致的，即便在模型訓練過程中，同樣的訓練輪次下，退化的網路也比稍淺層的網路的訓練錯誤更高，如下圖所示。

這一點並不符合常理：如果存在某個 K層網路是當前F的最優的網路，我們構造更深的網路。那麼K之後的層數可以擬合成恆等映射，就可以取得和F一直的結果。如果K不是最佳層數，那麼我們比K深，可以訓練出的一定會不差於K的。總而言之，與淺層網路相比，更深的網路的表現不應該更差。因此，一個合理的猜測就是， 對神經網路來說，恆等映射並不容易擬合。

也許我們可以對網路單元進行一定的改造，來改善退化問題？這也就引出了殘差網路的基本思路

既然神經網路不容易擬合一個恆等映射，那麼一種思路就是構造天然的恆等映射。

實驗表明，殘差網路 很好地解決了深度神經網路的退化問題 ，並在ImageNet和CIFAR-10等圖像任務上取得了非常好的結果，同等層數的前提下殘差網路也 收斂得更快 。這使得前饋神經網路可以採用更深的設計。除此之外， 去除個別神經網路層，殘差網路的表現不會受到顯著影響 ，這與傳統的前饋神經網路大相徑庭。

2018年的一篇論文，The Shattered Gradients Problem: If resnets are the answer, then what is the question，指出了一個新的觀點，盡管殘差網路提出是為了解決梯度彌散和網路退化的問題， 它解決的實際上是梯度破碎問題

作者通過可視化的小型實驗(構建和訓練一個神經網路發現，在淺層神經網路中，梯度呈現為棕色雜訊(brown noise)，深層神經網路的梯度呈現為白雜訊。在標准前饋神經網路中，隨著深度增加， 神經元梯度的相關性(corelation)按指數級減少 (1 / 2^L) ；同時， 梯度的空間結構也隨著深度增加被逐漸消除 。這也就是梯度破碎現象。

梯度破碎為什麼是一個問題呢？這是因為許多優化方法假設梯度在相鄰點上是相似的，破碎的梯度會大大減小這類優化方法的有效性。另外，如果梯度表現得像白雜訊，那麼某個神經元對網路輸出的影響將會很不穩定。

相較標准前饋網路， 殘差網路中梯度相關性減少的速度從指數級下降到亞線性級 ) (1 / sqrt(L)) ，深度殘差網路中，神經元梯度介於棕色雜訊與白雜訊之間(參見上圖中的c,d,e)；殘差連接可以 極大地保留梯度的空間結構 。殘差結構緩解了梯度破碎問題。

1x1 卷積指濾波器的尺寸為 1。當通道數為 1 時，1x1 卷積意味著卷積操作等同於乘積操作。
而當通道數更多時，1x1 卷積的作用實際上類似全連接層的神經網路結構，從而降低（或升高，取決於濾波器組數）數據的維度。

池化能壓縮數據的高度（nH）及寬度（nW），而 1×1 卷積能壓縮數據的通道數（nC）。在如下圖所示的例子中，用 filters個大小為 1×1×32 的濾波器進行卷積，就能使原先數據包含的 32個通道壓縮為 filters 個。

在這之前，網路大都是這樣子的：

也就是卷積層和池化層的順序連接。這樣的話，要想提高精度，增加網路深度和寬度是一個有效途徑，但也面臨著參數量過多、過擬合等問題。（當然，改改超參數也可以提高性能）

有沒有可能在同一層就可以提取不同（稀疏或不稀疏）的特徵呢(使用不同尺寸的卷積核)？於是，2014年，在其他人都還在一味的增加網路深度時(比如vgg)，GoogleNet就率先提出了卷積核的並行合並（也稱Bottleneck Layer），如下圖。

和卷積層、池化層順序連接的結構（如VGG網路）相比，這樣的結構主要有以下改進：

按照這樣的結構來增加網路的深度，雖然可以提升性能，但是還面臨計算量大（參數多）的問題。為改善這種現象，GooLeNet借鑒Network-in-Network的思想，使用1x1的卷積核實現降維操作(也間接增加了網路的深度)，以此來減小網路的參數量(這里就不對兩種結構的參數量進行定量比較了)，如圖所示。

最後實現的inception v1網路是上圖結構的順序連接

由於卷積這門課的其他內容和計算機視覺關系比較密切。對我理解推薦系統幫助不大。所以這個系列就到這里。吳恩達的課還是很好的，作業和課和測驗我都認真做啦。

8. 什麼是全連接神經網路，怎麼理解「全連接」

1、全連接神經網路解析：對n-1層和n層而言，n-1層的任意一個節點，都和第n層所有節點有連接。即第n層的每個節點在進行計算的時候，激活函數的輸入是n-1層所有節點的加權。

2、全連接的神經網路示意圖：

3、「全連接」是一種不錯的模式，但是網路很大的時候，訓練速度回很慢。部分連接就是認為的切斷某兩個節點直接的連接，這樣訓練時計算量大大減小。

9. 深度學習之卷積神經網路經典模型

LeNet-5模型 在CNN的應用中，文字識別系統所用的LeNet-5模型是非常經典的模型。LeNet-5模型是1998年，Yann LeCun教授提出的，它是第一個成功大規模應用在手寫數字識別問題的卷積神經網路，在MNIST數據集中的正確率可以高達99.2%。

下面詳細介紹一下LeNet-5模型工作的原理。
LeNet-5模型一共有7層，每層包含眾多參數，也就是卷積神經網路中的參數。雖然層數只有7層，這在如今龐大的神經網路中可是說是非常少的了，但是包含了卷積層，池化層，全連接層，可謂麻雀雖小五臟俱全了。為了方便，我們把卷積層稱為C層，下采樣層叫做下采樣層。
首先，輸入層輸入原始圖像，原始圖像被處理成32×32個像素點的值。然後，後面的隱層計在卷積和子抽樣之間交替進行。C1層是卷積層，包含了六個特徵圖。每個映射也就是28x28個神經元。卷積核可以是5x5的十字形，這28×28個神經元共享卷積核權值參數，通過卷積運算，原始信號特徵增強，同時也降低了雜訊，當卷積核不同時，提取到圖像中的特徵不同；C2層是一個池化層，池化層的功能在上文已經介紹過了，它將局部像素值平均化來實現子抽樣。
池化層包含了六個特徵映射，每個映射的像素值為14x14，這樣的池化層非常重要，可以在一定程度上保證網路的特徵被提取，同時運算量也大大降低，減少了網路結構過擬合的風險。因為卷積層與池化層是交替出現的，所以隱藏層的第三層又是一個卷積層，第二個卷積層由16個特徵映射構成，每個特徵映射用於加權和計算的卷積核為10x10的。第四個隱藏層，也就是第二個池化層同樣包含16個特徵映射，每個特徵映射中所用的卷積核是5x5的。第五個隱藏層是用5x5的卷積核進行運算，包含了120個神經元，也是這個網路中卷積運算的最後一層。
之後的第六層便是全連接層，包含了84個特徵圖。全連接層中對輸入進行點積之後加入偏置，然後經過一個激活函數傳輸給輸出層的神經元。最後一層，也就是第七層，為了得到輸出向量，設置了十個神經元來進行分類，相當於輸出一個包含十個元素的一維數組，向量中的十個元素即0到9。
AlexNet模型
AlexNet簡介
2012年Imagenet圖像識別大賽中，Alext提出的alexnet網路模型一鳴驚人，引爆了神經網路的應用熱潮，並且贏得了2012屆圖像識別大賽的冠軍，這也使得卷積神經網路真正意義上成為圖像處理上的核心演算法。上文介紹的LeNet-5出現在上個世紀，雖然是經典，但是迫於種種復雜的現實場景限制，只能在一些領域應用。不過，隨著SVM等手工設計的特徵的飛速發展，LeNet-5並沒有形成很大的應用狀況。隨著ReLU與dropout的提出，以及GPU帶來算力突破和互聯網時代大數據的爆發，卷積神經網路帶來歷史的突破，AlexNet的提出讓深度學習走上人工智慧的最前端。
圖像預處理
AlexNet的訓練數據採用ImageNet的子集中的ILSVRC2010數據集，包含了1000類，共1.2百萬的訓練圖像，50000張驗證集，150000張測試集。在進行網路訓練之前我們要對數據集圖片進行預處理。首先我們要將不同解析度的圖片全部變成256x256規格的圖像，變換方法是將圖片的短邊縮放到 256像素值，然後截取長邊的中間位置的256個像素值，得到256x256大小的圖像。除了對圖片大小進行預處理，還需要對圖片減均值，一般圖像均是由RGB三原色構成，均值按RGB三分量分別求得，由此可以更加突出圖片的特徵，更方便後面的計算。
此外，對了保證訓練的效果，我們仍需對訓練數據進行更為嚴苛的處理。在256x256大小的圖像中，截取227x227大小的圖像，在此之後對圖片取鏡像，這樣就使得原始數據增加了（256-224）x（256-224）x2= 2048倍。最後對RGB空間做PCA，然後對主成分做（0,0.1）的高斯擾動，結果使錯誤率下降1%。對測試數據而言，抽取以圖像4個角落的大小為224224的圖像，中心的224224大小的圖像以及它們的鏡像翻轉圖像，這樣便可以獲得10張圖像，我們便可以利用softmax進行預測，對所有預測取平均作為最終的分類結果。
ReLU激活函數
之前我們提到常用的非線性的激活函數是sigmoid，它能夠把輸入的連續實值全部確定在0和1之間。但是這帶來一個問題，當一個負數的絕對值很大時，那麼輸出就是0；如果是絕對值非常大的正數，輸出就是1。這就會出現飽和的現象，飽和現象中神經元的梯度會變得特別小，這樣必然會使得網路的學習更加困難。此外，sigmoid的output的值並不是0為均值，因為這會導致上一層輸出的非0均值信號會直接輸入到後一層的神經元上。所以AlexNet模型提出了ReLU函數，公式：f(x)=max(0,x)f(x)=max(0,x)。

用ReLU代替了Sigmoid，發現使用 ReLU 得到的SGD的收斂速度會比 sigmoid快很多，這成了AlexNet模型的優勢之一。
Dropout
AlexNet模型提出了一個有效的模型組合方式，相比於單模型，只需要多花費一倍的時間，這種方式就做Dropout。在整個神經網路中，隨機選取一半的神經元將它們的輸出變成0。這種方式使得網路關閉了部分神經元，減少了過擬合現象。同時訓練的迭代次數也得以增加。當時一個GTX580 GPU只有3GB內存，這使得大規模的運算成為不可能。但是，隨著硬體水平的發展，當時的GPU已經可以實現並行計算了，並行計算之後兩塊GPU可以互相通信傳輸數據，這樣的方式充分利用了GPU資源，所以模型設計利用兩個GPU並行運算，大大提高了運算效率。
模型分析

AlexNet模型共有8層結構，其中前5層為卷積層，其中前兩個卷積層和第五個卷積層有池化層，其他卷積層沒有。後面3層為全連接層，神經元約有六十五萬個，所需要訓練的參數約六千萬個。
圖片預處理過後，進過第一個卷積層C1之後，原始的圖像也就變成了55x55的像素大小，此時一共有96個通道。模型分為上下兩塊是為了方便GPU運算，48作為通道數目更加適合GPU的並行運算。上圖的模型里把48層直接變成了一個面，這使得模型看上去更像一個立方體，大小為55x55x48。在後面的第二個卷積層C2中，卷積核的尺寸為5x5x48，由此再次進行卷積運算。在C1，C2卷積層的卷積運算之後，都會有一個池化層，使得提取特徵之後的特徵圖像素值大大減小，方便了運算，也使得特徵更加明顯。而第三層的卷積層C3又是更加特殊了。第三層卷積層做了通道的合並，將之前兩個通道的數據再次合並起來，這是一種串接操作。第三層後，由於串接，通道數變成256。全卷積的卷積核尺寸也就變成了13×13×25613×13×256。一個有4096個這樣尺寸的卷積核分別對輸入圖像做4096次的全卷積操作，最後的結果就是一個列向量，一共有4096個數。這也就是最後的輸出，但是AlexNet最終是要分1000個類，所以通過第八層，也就是全連接的第三層，由此得到1000個類輸出。
Alexnet網路中各個層發揮了不同的作用，ReLU，多個CPU是為了提高訓練速度，重疊pool池化是為了提高精度，且不容易產生過擬合，局部歸一化響應是為了提高精度，而數據增益與dropout是為了減少過擬合。
VGG net
在ILSVRC-2014中，牛津大學的視覺幾何組提出的VGGNet模型在定位任務第一名和分類任務第一名[[i]]。如今在計算機視覺領域，卷積神經網路的良好效果深得廣大開發者的喜歡，並且上文提到的AlexNet模型擁有更好的效果，所以廣大從業者學習者試圖將其改進以獲得更好地效果。而後來很多人經過驗證認為，AlexNet模型中所謂的局部歸一化響應浪費了計算資源，但是對性能卻沒有很大的提升。VGG的實質是AlexNet結構的增強版，它側重強調卷積神經網路設計中的深度。將卷積層的深度提升到了19層，並且在當年的ImageNet大賽中的定位問題中獲得了第一名的好成績。整個網路向人們證明了我們是可以用很小的卷積核取得很好地效果，前提是我們要把網路的層數加深，這也論證了我們要想提高整個神經網路的模型效果，一個較為有效的方法便是將它的深度加深，雖然計算量會大大提高，但是整個復雜度也上升了，更能解決復雜的問題。雖然VGG網路已經誕生好幾年了，但是很多其他網路上效果並不是很好地情況下，VGG有時候還能夠發揮它的優勢，讓人有意想不到的收獲。

與AlexNet網路非常類似，VGG共有五個卷積層，並且每個卷積層之後都有一個池化層。當時在ImageNet大賽中，作者分別嘗試了六種網路結構。這六種結構大致相同，只是層數不同，少則11層，多達19層。網路結構的輸入是大小為224*224的RGB圖像，最終將分類結果輸出。當然，在輸入網路時，圖片要進行預處理。
VGG網路相比AlexNet網路，在網路的深度以及寬度上做了一定的拓展，具體的卷積運算還是與AlexNet網路類似。我們主要說明一下VGG網路所做的改進。第一點，由於很多研究者發現歸一化層的效果並不是很好，而且佔用了大量的計算資源，所以在VGG網路中作者取消了歸一化層；第二點，VGG網路用了更小的3x3的卷積核，而兩個連續的3x3的卷積核相當於5x5的感受野，由此類推，三個3x3的連續的卷積核也就相當於7x7的感受野。這樣的變化使得參數量更小，節省了計算資源，將資源留給後面的更深層次的網路。第三點是VGG網路中的池化層特徵池化核改為了2x2，而在AlexNet網路中池化核為3x3。這三點改進無疑是使得整個參數運算量下降，這樣我們在有限的計算平台上能夠獲得更多的資源留給更深層的網路。由於層數較多，卷積核比較小，這樣使得整個網路的特徵提取效果很好。其實由於VGG的層數較多，所以計算量還是相當大的，卷積層比較多成了它最顯著的特點。另外，VGG網路的拓展性能比較突出，結構比較簡潔，所以它的遷移性能比較好，遷移到其他數據集的時候泛化性能好。到現在為止，VGG網路還經常被用來提出特徵。所以當現在很多較新的模型效果不好時，使用VGG可能會解決這些問題。
GoogleNet
谷歌於2014年Imagenet挑戰賽（ILSVRC14）憑借GoogleNet再次斬獲第一名。這個通過增加了神經網路的深度和寬度獲得了更好地效果，在此過程中保證了計算資源的不變。這個網路論證了加大深度，寬度以及訓練數據的增加是現有深度學習獲得更好效果的主要方式。但是增加尺寸可能會帶來過擬合的問題，因為深度與寬度的加深必然會帶來過量的參數。此外，增加網路尺寸也帶來了對計算資源侵佔過多的缺點。為了保證計算資源充分利用的前提下去提高整個模型的性能，作者使用了Inception模型，這個模型在下圖中有展示，可以看出這個有點像金字塔的模型在寬度上使用並聯的不同大小的卷積核，增加了卷積核的輸出寬度。因為使用了較大尺度的卷積核增加了參數。使用了1*1的卷積核就是為了使得參數的數量最少。

Inception模塊
上圖表格為網路分析圖，第一行為卷積層，輸入為224×224×3 ，卷積核為7x7，步長為2，padding為3，輸出的維度為112×112×64，這裡面的7x7卷積使用了 7×1 然後 1×7 的方式，這樣便有(7+7)×64×3=2,688個參數。第二行為池化層，卷積核為3×33×3，滑動步長為2，padding為 1 ，輸出維度：56×56×64，計算方式：1/2×(112+2×1?3+1)=56。第三行，第四行與第一行，第二行類似。第 5 行 Inception mole中分為4條支線，輸入均為上層產生的 28×28×192 結果：第 1 部分，1×1 卷積層，輸出大小為28×28×64；第 2 部分，先1×1卷積層，輸出大小為28×28×96，作為輸入進行3×3卷積層，輸出大小為28×28×128；第 3部分，先1×1卷積層，輸出大小為28×28×32，作為輸入進行3×3卷積層，輸出大小為28×28×32；而第3 部分3×3的池化層，輸出大小為輸出大小為28×28×32。第5行的Inception mole會對上面是個結果的輸出結果並聯，由此增加網路寬度。
ResNet
2015年ImageNet大賽中，MSRA何凱明團隊的ResialNetworks力壓群雄，在ImageNet的諸多領域的比賽中上均獲得了第一名的好成績，而且這篇關於ResNet的論文Deep Resial Learning for Image Recognition也獲得了CVPR2016的最佳論文，實至而名歸。
上文介紹了的VGG以及GoogleNet都是增加了卷積神經網路的深度來獲得更好效果，也讓人們明白了網路的深度與廣度決定了訓練的效果。但是，與此同時，寬度與深度加深的同時，效果實際會慢慢變差。也就是說模型的層次加深，錯誤率提高了。模型的深度加深，以一定的錯誤率來換取學習能力的增強。但是深層的神經網路模型犧牲了大量的計算資源，學習能力提高的同時不應當產生比淺層神經網路更高的錯誤率。這個現象的產生主要是因為隨著神經網路的層數增加，梯度消失的現象就越來越明顯。所以為了解決這個問題，作者提出了一個深度殘差網路的結構Resial：

上圖就是殘差網路的基本結構，可以看出其實是增加了一個恆等映射，將原本的變換函數H(x)轉換成了F(x)+x。示意圖中可以很明顯看出來整個網路的變化，這樣網路不再是簡單的堆疊結構，這樣的話便很好地解決了由於網路層數增加而帶來的梯度原來越不明顯的問題。所以這時候網路可以做得很深，到目前為止，網路的層數都可以上千層，而能夠保證很好地效果。並且，這樣的簡單疊加並沒有給網路增加額外的參數跟計算量，同時也提高了網路訓練的效果與效率。
在比賽中，為了證明自己觀點是正確的，作者控制變數地設計幾個實驗。首先作者構建了兩個plain網路，這兩個網路分別為18層跟34層，隨後作者又設計了兩個殘差網路，層數也是分別為18層和34層。然後對這四個模型進行控制變數的實驗觀察數據量的變化。下圖便是實驗結果。實驗中，在plain網路上觀測到明顯的退化現象。實驗結果也表明，在殘差網路上，34層的效果明顯要好於18層的效果，足以證明殘差網路隨著層數增加性能也是增加的。不僅如此，殘差網路的在更深層的結構上收斂性能也有明顯的提升，整個實驗大為成功。

除此之外，作者還做了關於shortcut方式的實驗，如果殘差網路模塊的輸入輸出維度不一致，我們如果要使維度統一，必須要對維數較少的進行増維。而增維的最好效果是用0來填充。不過實驗數據顯示三者差距很小，所以線性投影並不是特別需要。使用0來填充維度同時也保證了模型的復雜度控制在比較低的情況下。
隨著實驗的深入，作者又提出了更深的殘差模塊。這種模型減少了各個層的參數量，將資源留給更深層數的模型，在保證復雜度很低的情況下，模型也沒有出現梯度消失很明顯的情況，因此目前模型最高可達1202層，錯誤率仍然控製得很低。但是層數如此之多也帶來了過擬合的現象，不過諸多研究者仍在改進之中，畢竟此時的ResNet已經相對於其他模型在性能上遙遙領先了。
殘差網路的精髓便是shortcut。從一個角度來看，也可以解讀為多種路徑組合的一個網路。如下圖：

ResNet可以做到很深，但是從上圖中可以體會到，當網路很深，也就是層數很多時，數據傳輸的路徑其實相對比較固定。我們似乎也可以將其理解為一個多人投票系統，大多數梯度都分布在論文中所謂的effective path上。
DenseNet
在Resnet模型之後，有人試圖對ResNet模型進行改進，由此便誕生了ResNeXt模型。

這是對上面介紹的ResNet模型結合了GoogleNet中的inception模塊思想，相比於Resnet來說更加有效。隨後，誕生了DenseNet模型，它直接將所有的模塊連接起來，整個模型更加簡單粗暴。稠密相連成了它的主要特點。

我們將DenseNet與ResNet相比較:

從上圖中可以看出，相比於ResNet，DenseNet參數量明顯減少很多，效果也更加優越，只是DenseNet需要消耗更多的內存。
總結
上面介紹了卷積神經網路發展史上比較著名的一些模型，這些模型非常經典，也各有優勢。在算力不斷增強的現在，各種新的網路訓練的效率以及效果也在逐漸提高。從收斂速度上看，VGG>Inception>DenseNet>ResNet,從泛化能力來看，Inception>DenseNet=ResNet>VGG，從運算量看來，Inception<DenseNet< ResNet<VGG，從內存開銷來看，Inception<ResNet< DenseNet<VGG。在本次研究中，我們對各個模型均進行了分析，但從效果來看，ResNet效果是最好的，優於Inception，優於VGG，所以我們第四章實驗中主要採用谷歌的Inception模型，也就是GoogleNet。

10. [圖像演算法]-Faster RCNN詳解

paper： Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks
Tensorflow-faster r-cnn github: Tensorflow Faster RCNN for Object Detection

faster rcnn是何凱明等大神在2015年提出目標檢測演算法，該演算法在2015年的ILSVRV和COCO競賽中獲得多項第一。該演算法在fast rcnn基礎上提出了RPN候選框生成演算法，使得目標檢測速度大大提高。

(1)image input；
(2)利用selective search 演算法在圖像中從上到下提取2000個左右的Region Proposal；
(3)將每個Region Proposal縮放(warp)成227*227的大小並輸入到CNN，將CNN的fc7層的輸出作為特徵；
(4)將每個Region Proposal提取的CNN特徵輸入到SVM進行分類；
(5)對於SVM分好類的Region Proposal做邊框回歸，用Bounding box回歸值校正原來的建議窗口，生成預測窗口坐標.
缺陷:
(1) 訓練分為多個階段，步驟繁瑣：微調網路+訓練SVM+訓練邊框回歸器；
(2) 訓練耗時，佔用磁碟空間大；5000張圖像產生幾百G的特徵文件；
(3) 速度慢：使用GPU，VGG16模型處理一張圖像需要47s；
(4) 測試速度慢：每個候選區域需要運行整個前向CNN計算；
(5) SVM和回歸是事後操作，在SVM和回歸過程中CNN特徵沒有被學習更新.

(1)image input；
(2)利用selective search 演算法在圖像中從上到下提取2000個左右的建議窗口(Region Proposal)；
(3)將整張圖片輸入CNN，進行特徵提取；
(4)把建議窗口映射到CNN的最後一層卷積feature map上；
(5)通過RoI pooling層使每個建議窗口生成固定尺寸的feature map；
(6)利用Softmax Loss(探測分類概率) 和Smooth L1 Loss(探測邊框回歸)對分類概率和邊框回歸(Bounding box regression)聯合訓練.

相比R-CNN，主要兩處不同:
(1)最後一層卷積層後加了一個ROI pooling layer；
(2)損失函數使用了多任務損失函數(multi-task loss)，將邊框回歸直接加入到CNN網路中訓練
改進:
(1) 測試時速度慢：R-CNN把一張圖像分解成大量的建議框，每個建議框拉伸形成的圖像都會單獨通過CNN提取特徵.實際上這些建議框之間大量重疊，特徵值之間完全可以共享，造成了運算能力的浪費.
FAST-RCNN將整張圖像歸一化後直接送入CNN，在最後的卷積層輸出的feature map上，加入建議框信息，使得在此之前的CNN運算得以共享.
(2) 訓練時速度慢：R-CNN在訓練時，是在採用SVM分類之前，把通過CNN提取的特徵存儲在硬碟上.這種方法造成了訓練性能低下，因為在硬碟上大量的讀寫數據會造成訓練速度緩慢.
FAST-RCNN在訓練時，只需要將一張圖像送入網路，每張圖像一次性地提取CNN特徵和建議區域，訓練數據在GPU內存里直接進Loss層，這樣候選區域的前幾層特徵不需要再重復計算且不再需要把大量數據存儲在硬碟上.
(3) 訓練所需空間大：R-CNN中獨立的SVM分類器和回歸器需要大量特徵作為訓練樣本，需要大量的硬碟空間.FAST-RCNN把類別判斷和位置回歸統一用深度網路實現，不再需要額外存儲.
(4) 由於ROI pooling的提出，不需要再input進行Corp和wrap操作，避免像素的損失，巧妙解決了尺度縮放的問題.

(1)輸入測試圖像；
(2)將整張圖片輸入CNN，進行特徵提取；
(3)用RPN先生成一堆Anchor box，對其進行裁剪過濾後通過softmax判斷anchors屬於前景(foreground)或者後景(background)，即是物體or不是物體，所以這是一個二分類；同時，另一分支bounding box regression修正anchor box，形成較精確的proposal（註：這里的較精確是相對於後面全連接層的再一次box regression而言）
(4)把建議窗口映射到CNN的最後一層卷積feature map上；
(5)通過RoI pooling層使每個RoI生成固定尺寸的feature map；
(6)利用Softmax Loss(探測分類概率) 和Smooth L1 Loss(探測邊框回歸)對分類概率和邊框回歸(Bounding box regression)聯合訓練.

相比FASTER-RCNN，主要兩處不同:
(1)使用RPN(Region Proposal Network)代替原來的Selective Search方法產生建議窗口；
(2)產生建議窗口的CNN和目標檢測的CNN共享

改進:
(1) 如何高效快速產生建議框？
FASTER-RCNN創造性地採用卷積網路自行產生建議框，並且和目標檢測網路共享卷積網路，使得建議框數目從原有的約2000個減少為300個，且建議框的質量也有本質的提高.

從上面的三張圖可以看出，Faster R CNN由下面幾部分組成：
1.數據集，image input
2.卷積層CNN等基礎網路，提取特徵得到feature map
3-1.RPN層，再在經過卷積層提取到的feature map上用一個3x3的slide window，去遍歷整個feature map,在遍歷過程中每個window中心按rate，scale（1:2,1:1,2:1）生成9個anchors，然後再利用全連接對每個anchors做二分類（是前景還是背景）和初步bbox regression，最後輸出比較精確的300個ROIs。
3-2.把經過卷積層feature map用ROI pooling固定全連接層的輸入維度。
4.然後把經過RPN輸出的rois映射到ROIpooling的feature map上進行bbox回歸和分類。

SPP-Net是出自論文《Spatial Pyramid Pooling in Deep Convolutional Networks for Visual Recognition》
由於一般的網路結構中都伴隨全連接層，全連接層的參數就和輸入圖像大小有關，因為它要把輸入的所有像素點連接起來,需要指定輸入層神經元個數和輸出層神經元個數，所以需要規定輸入的feature的大小。而SPP-NET正好解決了這個問題。

如果原圖輸入是224x224，對於conv5出來後的輸出，是13x13x256的，可以理解成有256個這樣的filter，每個filter對應一張13x13的activation map.如果像上圖那樣將activation map pooling成4x4 2x2 1x1三張子圖，做max pooling後，出來的特徵就是固定長度的(16+4+1)x256那麼多的維度了.如果原圖的輸入不是224x224，出來的特徵依然是(16+4+1)x256；直覺地說，可以理解成將原來固定大小為(3x3)窗口的pool5改成了自適應窗口大小，窗口的大小和activation map成比例，保證了經過pooling後出來的feature的長度是一致的.

總結而言，當網路輸入的是一張任意大小的圖片，這個時候我們可以一直進行卷積、池化，直到網路的倒數幾層的時候，也就是我們即將與全連接層連接的時候，就要使用金字塔池化，使得任意大小的特徵圖都能夠轉換成固定大小的特徵向量，這就是空間金字塔池化的意義（多尺度特徵提取出固定大小的特徵向量）。

ROI pooling layer實際上是SPP-NET的一個精簡版，SPP-NET對每個proposal使用了不同大小的金字塔映射，而ROI pooling layer只需要下采樣到一個7x7的特徵圖.對於VGG16網路conv5_3有512個特徵圖，這樣所有region proposal對應了一個7*7*512維度的特徵向量作為全連接層的輸入.

為什麼要pooling成7×7的尺度？是為了能夠共享權重。Faster RCNN除了用到VGG前幾層的卷積之外，最後的全連接層也可以繼續利用。當所有的RoIs都被pooling成（512\×7\×7）的feature map後，將它reshape 成一個一維的向量，就可以利用VGG16預訓練的權重，初始化前兩層全連接.

那麼經過何種變換才能從圖11中的窗口P變為窗口呢？比較簡單的思路就是：

注意：只有當Proposal和Ground Truth比較接近時（線性問題），我們才能將其作為訓練樣本訓練我們的線性回歸模型，否則會導致訓練的回歸模型不work（當Proposal跟GT離得較遠，就是復雜的非線性問題了，此時用線性回歸建模顯然不合理）.這個也是G-CNN: an Iterative Grid Based Object Detector多次迭代實現目標准確定位的關鍵. 線性回歸就是給定輸入的特徵向量X，學習一組參數W，使得經過線性回歸後的值跟真實值Y(Ground Truth)非常接近.即.那麼Bounding-box中我們的輸入以及輸出分別是什麼呢？

如上圖中標識：
① rpn_cls：60*40*512-d ⊕ 1*1*512*18 > 60*40*92 逐像素對其9個Anchor box進行二分類
② rpn_bbox：60*40*512-d ⊕ 1*1*512*36>60*40*9*4 逐像素得到其9個Anchor box四個坐標信息

逐像素對Anchors分類標記
① 去除掉超過1000*600這原圖的邊界的anchor box
② 如果anchor box與ground truth的IoU值最大，標記為正樣本，label=1
③ 如果anchor box與ground truth的IoU>0.7，標記為正樣本，label=1
④ 如果anchor box與ground truth的IoU<0.3，標記為負樣本，label=0
剩下的既不是正樣本也不是負樣本，不用於最終訓練，label=-1

逐像素Bbox回歸糾正
除了對anchor box進行標記外，另一件事情就是計算anchor box與ground truth之間的偏移量
令：ground truth:標定的框也對應一個中心點位置坐標x ,y 和寬高w ,h
anchor box: 中心點位置坐標x_a,y_a和寬高w_a,h_a
所以，偏移量：
△x=(x -x_a)/w_a △y=(y -y_a)/h_a
△w=log(w /w_a) △h=log(h /h_a)
通過ground truth box與預測的anchor box之間的差異來進行學習，從而是RPN網路中的權重能夠學習到預測box的能力

接著進一步對Anchors進行越界剔除和使用nms非最大值抑制，剔除掉重疊的框；比如，設定IoU為0.7的閾值，即僅保留覆蓋率不超過0.7的局部最大分數的box（粗篩）。最後留下大約2000個anchor，然後再取前N個box（比如300個）；這樣，進入到下一層ROI Pooling時region proposal大約只有300個。

參考文獻：