⑴ 一种基于FPGA的感知量化卷积神经网络加速系统设计
姓名：姬怡希
学号：19020100037
学院：电子工程学院
嵌牛导读：对卷积神经网络的加速的研究。
嵌牛鼻子:计算机软件及计算机应用; 自动化技术。
嵌牛提问：如何设计卷积神经网络的加速系统？
嵌牛内容：
近年来,卷积神经网络（CNN）在机器视觉等方面取得了巨大成功。为提升嵌入式设备上运行CNN的速度和能效,本文针对LeNet-5网络模型,先对该网络模型进行感知量化训练,特征图和权重量化为8位整型数据。然后设计一种卷积神经网络加速器系统,该片上系统（SoC）采用Cortex-M3为处理器,所提出的系统处理一张MNIST图像所需时间5.3ms,精度达到98.2%。
近年来，卷积神经网络（CNN）在机器视觉等方面取得了巨大成功。为提升嵌入式设备上运行CNN的速度和能效，本文针对LeNet-5网络模型，先对该网络模型进行感知量化训练，特征图和权重量化为8位整型数据。然后设计一种卷积神经网络加速器系统，该片上系统（SoC）采用Cortex-M3为处理器，所提出的系统处理一张MNIST图像所需时间5.3ms，精度达到98.2%。CNN已成功应用于图像识别等应用，随着CNN解决更复杂的问题，计算和存储的需求急剧增加。然而，在一些低功耗的边缘计算设备中，功耗是重要指标。目前的研究主要针对CNN推理阶段模型的压缩和量化。大多数设计都用定点计算单元代替浮点单元。ESE采用12位定点权重和16位定点神经元设计，Guo等在嵌入式FPGA上使用8位单元进行设计。但之前的设计主要采用Zynq或者HLS开发，功耗较大。本文设计了一种基于FPGA的卷积神经网络加速系统。首先，通过感知量化训练的方法，实现了将浮点CNN模型的各层权重和特征图量化成8比特整型；其次，通过采用单层时分复用的方式，设计流水线架构提高数据吞吐率；再次，设计基于Cortex-M3的SoC；最后，采用MNIST手写数字进行方案和功能验证。
1 卷积神经网络
1.1 基本概念
LeNet-5是一个典型的卷积神经网络模型，不包含输入一共有7层。分别为3层卷积层，2层池化层，以及2层全连接层。
1.2 量化原理
针对目前CNN模型较大，参数多且不适合在移动设备上使用，Google团队提出了一种量化方案。该方案在推理过程中使用纯整。量化方案是量化整数q到实数r的映射，如公式(1)所示：
其中常数S和Z是量化参数。S表示比例系数，是一个任意的正实数。Z表示零点。CNN中主要的操作，比如卷积层的卷积，以及全连接层的乘累加，都可以看成是矩阵乘法。考虑实数两个N×N的矩阵r1和r2的乘积r3 =r1r2。将每个矩阵ra的项表示为ra(r,j)，其中1≤ i, j ≤N，用qa(r,j)表示量化项，根据矩阵乘法的定义，得到：
乘以浮点数M，可以转化成先乘以定点数M1，再进行右移n+31。将公式(2)中所有零点Z1，Z2，Z3都设为0，可以大大简化推理阶段的运算。另外将偏置加法和激活函数合并到其中。比例系数Sbias=S1S2，零点Zbias= 0。由于选用的激活函数是ReLU，所以只需要将结果钳位到[0,255]。
2 加速系统硬件设计
2.1 整体结构
本系统采用CPU+FPGA的架构，包括AHB互联矩阵、Cortex-M3处理器、DMA、紧耦合存储器、双端口缓存、AHB2APB桥和CNN加速器，如图1所示。存储器部分包含ITCM，DTCM和双端口RAM。ITCM存放程序镜像文件；DTCM作为堆栈区；DualRAM作为权重数据，输入特征图，以及中间、最终结果缓存区，一端连接L1级总线，CPU和DMA均可以访问，另一端连接CNN加速器。
2.2 CNN加速器设计
CNN加速器设计的整体结构如图2所示，并行方案采用输出通道和权重卷积核内部并行，同时计算6个输出通道，以及卷积核25个乘法器同时计算。特征图行缓冲的窗口尺寸为5x5，可以通过数据选择器选择输入特征图的宽度。权重特征图的行缓冲设计同理，由于卷积核均为5x5，所以不需要数据选择器。乘累加阵列输入为25个8位特征图和25个8位权重，对应相乘后采用加法树方式累加，最后得到1个位宽为21的有符号数。偏置加法器用于累加偏置或者中间结果。选择哪一个是由数据选择器控制，输出一个32位结果。量化激活模块包含一个32x32位的乘法器，用于将累加结果和乘法系数相乘，再经过右移，钳位到[0,255]，经过四舍五入得到量化的结果。
3.2 实验结果
本文的SoC工作的频率为100MHz，识别一张MNIST图片的时间为5.3ms，FPGA的功耗由Vivado的Report Power工具获得，仅为0.448W。本文处理单帧的时间比较长，但是功耗是其他文献的四分之一。由于采用感知量化，识别正确率FPGA实现和软件实现一致，达到98.2%。实验结果对比如表1所示。结论：为了解决嵌入式设备上实现卷积神经网络速度慢和功耗大的问题，本文提出了一种卷积神经网络加速系统。首先对卷积神经网络进行感知量化，得到8比特的权重、特征值图1 系统框图 和量化参数。采用Cortex-M3作为处池化模块设计思路同卷积模块，采用最大池化。包含3个比较器和一个行缓冲，针对不同层可以选择不同长度的特征图，窗口尺寸为2x2。
⑵ 什么是卷积
最近有一个项目要用到图像检测，所以现在系统的开始入手深度学习的知识。本来打算用 Google 的 TensorFlow 来实现，毕竟 TFBoy 近几年热度不减，但考虑到项目实施周期，打算前期用网络的 EasyDL 来实现，和网络 AI 的产品经理聊了几次，说是类似的项目，200张样本训练，识别能达到80%，应该算是一个不错的识别率了。
当然，一些基础知识还是要了解一下，这里面有不少的概念还挺不好理解的。深度学习，有专门的卷积神经网络，在图像领域取得了非常好的实际效果，已经把传统的图像处理的方法快干趴下了。看了很多关于卷积的解释，在这里整理一下。
网上流传的一个段子，非常形象。比如说你的老板命令你干活，你却到楼下打台球去了，后来被老板发现，他非常气愤，扇了你一巴掌（注意，这就是输入信号，脉冲），于是你的脸上会渐渐地鼓起来一个包，你的脸就是一个系统，而鼓起来的包就是你的脸对巴掌的响应，好，这样就和信号系统建立起来意义对应的联系。
下面还需要一些假设来保证论证的严谨：假定你的脸是线性时不变系统，也就是说，无论什么时候老板打你一巴掌，打在你脸的同一位置，你的脸上总是会在相同的时间间隔内鼓起来一个相同高度的包来，并且假定以鼓起来的包的大小作为系统输出。好了，那么，下面可以进入核心内容——卷积了！
如果你每天都到楼下去打台球，那么老板每天都要扇你一巴掌，不过当老板打你一巴掌后，你5分钟就消肿了，所以时间长了，你甚至就适应这种生活了……。如果有一天，老板忍无可忍，以0.5秒的间隔开始不间断的扇你，这样问题就来了，第一次扇你鼓起来的包还没消肿，第二个巴掌就来了，你脸上的包就可能鼓起来两倍高，老板不断扇你，脉冲不断作用在你脸上，效果不断叠加了，这样这些效果就可以求和了，结果就是你脸上的包的高度随时间变化的一个函数了（注意理解）。
如果老板再狠一点，频率越来越高，以至于你都辨别不清时间间隔了，那么，求和就变成积分了。可以这样理解，在这个过程中的某一固定的时刻，你的脸上的包的鼓起程度和什么有关呢？和之前每次打你都有关！但是各次的贡献是不一样的，越早打的巴掌，贡献越小，所以这就是说，某一时刻的输出是之前很多次输入乘以各自的衰减系数之后的叠加而形成某一点的输出，然后再把不同时刻的输出点放在一起，形成一个函数，这就是卷积，卷积之后的函数就是你脸上的包的大小随时间变化的函数。
本来你的包几分钟就可以消肿，可是如果连续打，几个小时也消不了肿了，这难道不是一种平滑过程么？反映到剑桥大学的公式上，f(a) 就是第 a 个巴掌，g(x-a)就是第 a 个巴掌在x时刻的作用程度，乘起来再叠加就 ok 了。
从数学上讲，卷积就是一种运算。通俗易懂的说，卷积就是
** 输出 = 输入 * 系统**
虽然它看起来只是个简单的数学公式，但是却有着重要的物理意义，因为自然界这样的系统无处不在，计算一个系统的输出最好的方法就是运用卷积。更一般的，我们还有很多其他领域的应用：
统计学中，加权的滑动平均是一种卷积。
概率论中，两个统计独立变量X与Y的和的概率密度函数是X与Y的概率密度函数的卷积。
声学中，回声可以用源声与一个反映各种反射效应的函数的卷积表示。
电子工程与信号处理中，任一个线性系统的输出都可以通过将输入信号与系统函数（系统的冲激响应）做卷积获得。
物理学中，任何一个线性系统（符合叠加原理）都存在卷积。
计算机科学中，卷积神经网络（CNN）是深度学习算法中的一种，近年来被广泛用到模式识别、图像处理等领域中。
这6个领域中，卷积起到了至关重要的作用。在面对一些复杂情况时，作为一种强有力的处理方法，卷积给出了简单却有效的输出。对于机器学习领域，尤其是深度学习，最着名的CNN卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)，在图像领域取得了非常好的实际效果，始一出现便横扫各类算法。
其定义如下：
我们称 (f * g)(n) 为 f,g 的卷积
其连续的定义为：
其离散的定义为：
再通俗的说，看起来像把一张二维的地毯从角沿45度斜线卷起来。
以下是一张正方形地毯，上面保存着f和g在区间[a,\b]的张量积，即U(x,y)=f(x)g(y)。
再看下面最简单的一个例子。
考虑到函数 f 和 g 应该地位平等，或者说变量 x 和 y 应该地位平等，一种可取的办法就是沿直线 x+y = t 卷起来：
卷了有什么用？可以用来做多位数乘法，比如：
要解决的问题是：有两枚骰子，把它们都抛出去，两枚骰子点数加起来为4的概率是多少?
分析一下，两枚骰子点数加起来为4的情况有三种情况：1+3=4， 2+2=4, 3+1=4
因此，两枚骰子点数加起来为4的概率为：
在这里我想进一步用上面的翻转滑动叠加的逻辑进行解释。
首先，因为两个骰子的点数和是4，为了满足这个约束条件，我们还是把函数 g 翻转一下，然后阴影区域上下对应的数相乘，然后累加，相当于求自变量为4的卷积值，如下图所示：
楼下早点铺子生意太好了，供不应求，就买了一台机器，不断的生产馒头。
假设馒头的生产速度是 f(t)，那么一天后生产出来的馒头总量为：
馒头生产出来之后，就会慢慢腐败，假设腐败函数为 g(t)，比如，10个馒头，24小时会腐败：
用一个模板和一幅图像进行卷积，对于图像上的一个点，让模板的原点和该点重合，然后模板上的点和图像上对应的点相乘，然后各点的积相加，就得到了该点的卷积值。对图像上的每个点都这样处理。由于大多数模板都是对称的，所以模板不旋转。卷积是一种积分运算，用来求两个曲线重叠区域面积。可以看作加权求和，可以用来消除噪声、特征增强。
把一个点的像素值用它周围的点的像素值的加权平均代替。
卷积是一种线性运算,图像处理中常见的mask运算都是卷积，广泛应用于图像滤波。
卷积关系最重要的一种情况，就是在信号与线性系统或数字信号处理中的卷积定理。利用该定理，可以将时间域或空间域中的卷积运算等价为频率域的相乘运算，从而利用FFT等快速算法，实现有效的计算，节省运算代价。
有这么一副图像，可以看到，图像上有很多噪点：
自然图像有其固有特性，也就是说，图像的一部分的统计特性与其他部分是一样的。这也意味着我们在这一部分学习的特征也能用在另一部分上，所以对于这个图像上的所有位置，我们都能使用同样的学习特征。
更恰当的解释是，当从一个大尺寸图像中随机选取一小块，比如说 8x8 作为样本，并且从这个小块样本中学习到了一些特征，这时我们可以把从这个 8x8 样本中学习到的特征作为探测器，应用到这个图像的任意地方中去。特别是，我们可以用从 8x8 样本中所学习到的特征跟原本的大尺寸图像作卷积，从而对这个大尺寸图像上的任一位置获得一个不同特征的激活值。
下面给出一个具体的例子：假设你已经从一个 96x96 的图像中学习到了它的一个 8x8 的样本所具有的特征，假设这是由有 100 个隐含单元的自编码完成的。为了得到卷积特征，需要对 96x96 的图像的每个 8x8 的小块图像区域都进行卷积运算。也就是说，抽取 8x8 的小块区域，并且从起始坐标开始依次标记为（1，1），（1，2），...，一直到（89，89），然后对抽取的区域逐个运行训练过的稀疏自编码来得到特征的激活值。在这个例子里，显然可以得到 100 个集合，每个集合含有 89x89 个卷积特征。
以上，未知来源出处无法一一注明。
⑶ 什么是卷积神经网络为什么它们很重要
卷积神经网络（Convolutional Neural Network,CNN）是一种前馈神经网络，它的人工神经元可以响应一部分覆盖范围内的周围单元，对于大型图像处理有出色表现。[1]它包括卷积层(alternating convolutional layer)和池层(pooling layer)。
卷积神经网络是近年发展起来，并引起广泛重视的一种高效识别方法。20世纪60年代，Hubel和Wiesel在研究猫脑皮层中用于局部敏感和方向选择的神经元时发现其独特的网络结构可以有效地降低反馈神经网络的复杂性，继而提出了卷积神经网络（Convolutional Neural Networks-简称CNN）。现在，CNN已经成为众多科学领域的研究热点之一，特别是在模式分类领域，由于该网络避免了对图像的复杂前期预处理，可以直接输入原始图像，因而得到了更为广泛的应用。 K.Fukushima在1980年提出的新识别机是卷积神经网络的第一个实现网络。随后，更多的科研工作者对该网络进行了改进。其中，具有代表性的研究成果是Alexander和Taylor提出的“改进认知机”，该方法综合了各种改进方法的优点并避免了耗时的误差反向传播。
⑷ 卷积神经网络
关于花书中卷积网络的笔记记录于 https://www.jianshu.com/p/5a3c90ea0807 。
卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN或ConvNet）是一种具有 局部连接、权重共享 等特性的深层前馈神经网络。卷积神经网络是受生物学上感受野的机制而提出。 感受野（Receptive Field） 主要是指听觉、视觉等神经系统中一些神经元的特性，即 神经元只接受其所支配的刺激区域内的信号 。
卷积神经网络最早是主要用来处理图像信息。如果用全连接前馈网络来处理图像时，会存在以下两个问题：
目前的卷积神经网络一般是由卷积层、汇聚层和全连接层交叉堆叠而成的前馈神经网络，使用反向传播算法进行训练。 卷积神经网络有三个结构上的特性：局部连接，权重共享以及汇聚 。这些特性使卷积神经网络具有一定程度上的平移、缩放和旋转不变性。
卷积（Convolution）是分析数学中一种重要的运算。在信号处理或图像处理中，经常使用一维或二维卷积。
一维卷积经常用在信号处理中，用于计算信号的延迟累积。假设一个信号发生器每个时刻t 产生一个信号 ，其信息的衰减率为 ，即在 个时间步长后，信息为原来的 倍。假设 ，那么在时刻t收到的信号 为当前时刻产生的信息和以前时刻延迟信息的叠加：
我们把 称为 滤波器（Filter）或卷积核（Convolution Kernel） 。假设滤波器长度为 ，它和一个信号序列 的卷积为：
信号序列 和滤波器 的卷积定义为：
一般情况下滤波器的长度 远小于信号序列长度 ，下图给出一个一维卷积示例，滤波器为 ：
二维卷积经常用在图像处理中。因为图像为一个两维结构，所以需要将一维卷积进行扩展。给定一个图像 和滤波器 ，其卷积为：
下图给出一个二维卷积示例：
注意这里的卷积运算并不是在图像中框定卷积核大小的方框并将各像素值与卷积核各个元素相乘并加和，而是先把卷积核旋转180度，再做上述运算。
在图像处理中，卷积经常作为特征提取的有效方法。一幅图像在经过卷积操作后得到结果称为 特征映射（Feature Map） 。
最上面的滤波器是常用的高斯滤波器，可以用来对图像进行 平滑去噪 ；中间和最下面的过滤器可以用来 提取边缘特征 。
在机器学习和图像处理领域，卷积的主要功能是在一个图像（或某种特征）上滑动一个卷积核（即滤波器），通过卷积操作得到一组新的特征。在计算卷积的过程中，需要进行卷积核翻转（即上文提到的旋转180度）。 在具体实现上，一般会以互相关操作来代替卷积，从而会减少一些不必要的操作或开销。
互相关（Cross-Correlation）是一个衡量两个序列相关性的函数，通常是用滑动窗口的点积计算来实现 。给定一个图像 和卷积核 ，它们的互相关为：
互相关和卷积的区别仅在于卷积核是否进行翻转。因此互相关也可以称为不翻转卷积 。当卷积核是可学习的参数时，卷积和互相关是等价的。因此，为了实现上（或描述上）的方便起见，我们用互相关来代替卷积。事实上，很多深度学习工具中卷积操作其实都是互相关操作。
在卷积的标准定义基础上，还可以引入滤波器的 滑动步长 和 零填充 来增加卷积多样性，更灵活地进行特征抽取。
滤波器的步长（Stride）是指滤波器在滑动时的时间间隔。
零填充（Zero Padding）是在输入向量两端进行补零。
假设卷积层的输入神经元个数为 ，卷积大小为 ，步长为 ，神经元两端各填补 个零，那么该卷积层的神经元数量为 。
一般常用的卷积有以下三类：
因为卷积网络的训练也是基于反向传播算法，因此我们重点关注卷积的导数性质：
假设 。
， ， 。函数 为一个标量函数。
则由 有：
可以看出， 关于 的偏导数为 和 的卷积 ：
同理得到：
当 或 时， ，即相当于对 进行 的零填充。从而 关于 的偏导数为 和 的宽卷积 。
用互相关的“卷积”表示，即为（注意 宽卷积运算具有交换性性质 ）：
在全连接前馈神经网络中，如果第 层有 个神经元，第 层有 个神经元，连接边有 个，也就是权重矩阵有 个参数。当 和 都很大时，权重矩阵的参数非常多，训练的效率会非常低。
如果采用卷积来代替全连接，第 层的净输入 为第 层活性值 和滤波器 的卷积，即：
根据卷积的定义，卷积层有两个很重要的性质：
由于局部连接和权重共享，卷积层的参数只有一个m维的权重 和1维的偏置 ，共 个参数。参数个数和神经元的数量无关。此外，第 层的神经元个数不是任意选择的，而是满足 。
卷积层的作用是提取一个局部区域的特征，不同的卷积核相当于不同的特征提取器。
特征映射（Feature Map）为一幅图像（或其它特征映射）在经过卷积提取到的特征，每个特征映射可以作为一类抽取的图像特征。 为了提高卷积网络的表示能力，可以在每一层使用多个不同的特征映射，以更好地表示图像的特征。
在输入层，特征映射就是图像本身。如果是灰度图像，就是有一个特征映射，深度 ；如果是彩色图像，分别有RGB三个颜色通道的特征映射，深度 。
不失一般性，假设一个卷积层的结构如下：
为了计算输出特征映射 ，用卷积核 分别对输入特征映射 进行卷积，然后将卷积结果相加，并加上一个标量偏置 得到卷积层的净输入 再经过非线性激活函数后得到输出特征映射 。
在输入为 ，输出为 的卷积层中，每个输出特征映射都需要 个滤波器以及一个偏置。假设每个滤波器的大小为 ，那么共需要 个参数。
汇聚层（Pooling Layer）也叫子采样层（Subsampling Layer），其作用是进行特征选择，降低特征数量，并从而减少参数数量。
常用的汇聚函数有两种：
其中 为区域 内每个神经元的激活值。
可以看出，汇聚层不但可以有效地减少神经元的数量，还可以使得网络对一些小的局部形态改变保持不变性，并拥有更大的感受野。
典型的汇聚层是将每个特征映射划分为 大小的不重叠区域，然后使用最大汇聚的方式进行下采样。汇聚层也可以看做是一个特殊的卷积层，卷积核大小为 ，步长为 ，卷积核为 函数或 函数。过大的采样区域会急剧减少神经元的数量，会造成过多的信息损失。
一个典型的卷积网络是由卷积层、汇聚层、全连接层交叉堆叠而成。
目前常用卷积网络结构如图所示，一个卷积块为连续 个卷积层和 个汇聚层（ 通常设置为 ， 为 或 ）。一个卷积网络中可以堆叠 个连续的卷积块，然后在后面接着 个全连接层（ 的取值区间比较大，比如 或者更大； 一般为 ）。
目前，整个网络结构 趋向于使用更小的卷积核（比如 和 ）以及更深的结构（比如层数大于50） 。此外，由于卷积的操作性越来越灵活（比如不同的步长），汇聚层的作用变得也越来越小，因此目前比较流行的卷积网络中， 汇聚层的比例也逐渐降低，趋向于全卷积网络 。
在全连接前馈神经网络中，梯度主要通过每一层的误差项 进行反向传播，并进一步计算每层参数的梯度。在卷积神经网络中，主要有两种不同功能的神经层：卷积层和汇聚层。而参数为卷积核以及偏置，因此 只需要计算卷积层中参数的梯度。
不失一般性，第 层为卷积层，第 层的输入特征映射为 ，通过卷积计算得到第 层的特征映射净输入 ，第 层的第 个特征映射净输入
由 得：
同理可得，损失函数关于第 层的第 个偏置 的偏导数为：
在卷积网络中，每层参数的梯度依赖其所在层的误差项 。
卷积层和汇聚层中，误差项的计算有所不同，因此我们分别计算其误差项。
第 层的第 个特征映射的误差项 的具体推导过程如下：
其中 为第 层使用的激活函数导数， 为上采样函数（upsampling），与汇聚层中使用的下采样操作刚好相反。如果下采样是最大汇聚（max pooling），误差项 中每个值会直接传递到上一层对应区域中的最大值所对应的神经元，该区域中其它神经元的误差项的都设为0。如果下采样是平均汇聚（meanpooling），误差项 中每个值会被平均分配到上一层对应区域中的所有神经元上。
第 层的第 个特征映射的误差项 的具体推导过程如下：
其中 为宽卷积。
LeNet-5虽然提出的时间比较早，但是是一个非常成功的神经网络模型。基于LeNet-5 的手写数字识别系统在90年代被美国很多银行使用，用来识别支票上面的手写数字。LeNet-5 的网络结构如图：
不计输入层，LeNet-5共有7层，每一层的结构为：
AlexNet是第一个现代深度卷积网络模型，其首次使用了很多现代深度卷积网络的一些技术方法，比如采用了ReLU作为非线性激活函数，使用Dropout防止过拟合，使用数据增强来提高模型准确率等。AlexNet 赢得了2012 年ImageNet 图像分类竞赛的冠军。
AlexNet的结构如图，包括5个卷积层、3个全连接层和1个softmax层。因为网络规模超出了当时的单个GPU的内存限制，AlexNet 将网络拆为两半，分别放在两个GPU上，GPU间只在某些层（比如第3层）进行通讯。
AlexNet的具体结构如下：
在卷积网络中，如何设置卷积层的卷积核大小是一个十分关键的问题。 在Inception网络中，一个卷积层包含多个不同大小的卷积操作，称为Inception模块。Inception网络是由有多个inception模块和少量的汇聚层堆叠而成 。
v1版本的Inception模块，采用了4组平行的特征抽取方式，分别为1×1、3× 3、5×5的卷积和3×3的最大汇聚。同时，为了提高计算效率，减少参数数量，Inception模块在进行3×3、5×5的卷积之前、3×3的最大汇聚之后，进行一次1×1的卷积来减少特征映射的深度。如果输入特征映射之间存在冗余信息， 1×1的卷积相当于先进行一次特征抽取 。
⑸ 为什么有图卷积神经网络
本质上说，世界上所有的数据都是拓扑结构，也就是网络结构，如果能够把这些网络数据真正的收集、融合起来，这确实是实现了AI智能的第一步。所以，如何利用深度学习处理这些复杂的拓扑数据，如何开创新的处理图数据以及知识图谱的智能算法是AI的一个重要方向。
深度学习在多个领域的成功主要归功于计算资源的快速发展（如 GPU）、大量训练数据的收集，还有深度学习从欧几里得数据（如图像、文本和视频）中提取潜在表征的有效性。但是，尽管深度学习已经在欧几里得数据中取得了很大的成功，但从非欧几里得域生成的数据已经取得更广泛的应用，它们需要有效分析。如在电子商务领域，一个基于图的学习系统能够利用用户和产品之间的交互以实现高度精准的推荐。在化学领域，分子被建模为图，新药研发需要测定其生物活性。在论文引用网络中，论文之间通过引用关系互相连接，需要将它们分成不同的类别。自2012年以来，深度学习在计算机视觉以及自然语言处理两个领域取得了巨大的成功。假设有一张图，要做分类，传统方法需要手动提取一些特征，比如纹理，颜色，或者一些更高级的特征。然后再把这些特征放到像随机森林等分类器，给到一个输出标签，告诉它是哪个类别。而深度学习是输入一张图，经过神经网络，直接输出一个标签。特征提取和分类一步到位，避免了手工提取特征或者人工规则，从原始数据中自动化地去提取特征，是一种端到端（end-to-end）的学习。相较于传统的方法，深度学习能够学习到更高效的特征与模式。
图数据的复杂性对现有机器学习算法提出了重大挑战，因为图数据是不规则的。每张图大小不同、节点无序，一张图中的每个节点都有不同数目的邻近节点，使得一些在图像中容易计算的重要运算（如卷积）不能再直接应用于图。此外，现有机器学习算法的核心假设是实例彼此独立。然而，图数据中的每个实例都与周围的其它实例相关，含有一些复杂的连接信息，用于捕获数据之间的依赖关系，包括引用、朋友关系和相互作用。
最近，越来越多的研究开始将深度学习方法应用到图数据领域。受到深度学习领域进展的驱动，研究人员在设计图神经网络的架构时借鉴了卷积网络、循环网络和深度自编码器的思想。为了应对图数据的复杂性，重要运算的泛化和定义在过去几年中迅速发展。
⑹ Lecture 9 卷积神经网络架构
首先回顾一下在数字识别领域有巨大成功的LeNet-5，该网络结构为 [CONV-POOL-CONV-POOL-FC-FC]。卷积层使用5x5的卷积核，步长为1；池化层使用2x2的区域，步长为2；后面是全连接层。如下图所示：
而2012年的 AlexNet 是第一个在ImageNet大赛上夺冠的大型CNN网络，它的结构和LeNet-5很相似，只是层数变多了——[CONV1-MAX POOL1-NORM1-CONV2-MAX POOL2-NORM2-CONV3-CONV4-CONV5-Max POOL3-FC6-FC7-FC8]，共有5个卷积层、3个池化层、2个归一化层和三个全连接层。如下图所示：
之所以分成上下两个部分，是因为当时的GPU容量太小，只能用两个来完成。还有一些细节是：
AlexNet夺得ImageNet大赛2012的冠军时，将正确率几乎提高了10%，2013年的冠军是ZFNet，和AlexNet使用相同的网络架构，只是对超参数进一步调优：
这样将错误率从16.4%降低到11.7%
14年的冠亚军GoogLeNet和VGG分别有22层和19层，下面来分别介绍。
VGG 相对于AlexNet使用更小的卷积核，层数也更深。VGG有16层和19层两种。卷积核只使用3x3，步长为1，pad为1；池化区域2x2，步长为2。
那么为什么使用3x3的小卷积核呢？
下面看一下VGG-16的参数和内存使用情况：
VGG网络的一些细节是：
下面来看一下分类的第一名，GoogLeNet。
先说明 GoogLeNet 的一些细节：
“Inception”模块 是一种设计的比较好的局域网拓扑结构，然后将这些模块堆叠在一起。
这种拓扑结构对来自前一层的输入，并行应用多种不同的滤波操作，比如1x1卷积、3x3卷积、5x5卷积和3x3池化。然后将所有滤波器的输出在深度上串联在一起。如下图所示：
但是这种结构的一个问题是计算复杂度大大增加。比如考虑下面的网络设置：
输入为28x28x256，而串联后的输出为28x28x672。（假设每个滤波操作都通过零填充保持输入尺寸）并且运算花费也非常高：
由于池化操作会保持原输入的深度，所以网络的输出一定会增加深度。解决办法是在进行卷积操作前添加一个“瓶颈层”，该层使用1x1卷积，目的是保留原输入空间尺寸的同时，减小深度，只要卷积核的数量小于原输入的深度即可。
使用这种结构，同样的网络参数设置下，的确会减少计算量：
最终得到的输出为28x28x480。此时总运算量为：
Inception mole堆叠成垂直结构，这里方便描述，将模型水平放置：
所以含参数的层总计3+18+1 = 22层。此外，橙色部分的层不计入总层数，这两块的结构都是：AveragePool 5x5+3(V) - Conv 1x1+1(S) - FC - FC - SoftmaxActivation - Output。“该相对较浅的网络在此分类任务上的强大表现表明，网络中间层产生的特征应该是非常有区别性的。 通过添加连接到这些中间层的辅助分类器，我们期望在分类器的较低阶段中鼓励区分，增加回传的梯度信号，并提供额外的正则化。 这些辅助分类器采用较小的卷积核，置于第三和第六个Inception mole的输出之上。 在训练期间，它们的损失会加到折扣权重的网络总损失中（辅助分类的损失加权为0.3）。 在预测时，这些辅助网络被丢弃。”——引自原论文
从2015年开始，网络的层数爆发式的增长，15-17年的冠军都是有152层，开始了“深度革命”！
ResNet 是一种非常深的网络，使用了残差连接。细节是：
表现这么好的ResNet仅仅是因为深吗？答案是否定的，研究表明一个56层的卷积层堆叠网络训练误差和测试误差都比一个20层的网络要大，并且不是过拟合的原因，而是更深的网络优化更难。但是一个更深的模型至少能和一个较浅的模型表现一样好，如果想把一个较浅的层变成较深的层，可以用下面的方式来构建：将原来比较浅的层拷贝到较深的层中，然后添加一些等于本身的映射层。现在较深的模型可以更好的学习。
ResNet通过使用多个有参层来学习输入与输入输出之间的 残差映射（ resial mapping ） ，而非像一般CNN网络（如AlexNet/VGG等）那样使用有参层来直接学习输入输出之间的 底层映射（ underlying mapping） 。
若将输入设为X，将某一有参网络层映射设为H，那么以X为输入的该层的输出将为H(X)。通常的CNN网络会直接通过训练学习出参数函数H的表达式，从而直接得到 X 到 H(X) 的映射。而 残差学习 则是致力于使用多个有参网络层来学习输入到输入、输出间的残差(H(X) - X)的映射，即学习 X -> (H(X) - X) ，然后加上X的 自身映射（identity mapping） 。也就是说网络的输出仍然是 H(X) - X + X = H(X)，只是学习的只是 (H(X) - X)，X部分直接是本身映射。
残差学习单元通过本身映射的引入在输入、输出之间建立了一条直接的关联通道，从而使得强大的有参层集中精力学习输入、输出之间的残差。一般我们用 来表示残差映射，那么残差学习单元的输出即为： 。当输入、输出通道数相同时，自然可以直接使用 X 进行相加。而当它们之间的通道数目不同时，我们就需要考虑建立一种有效的自身映射函数从而可以使得处理后的输入 X 与输出 Y 的通道数目相同即 。
当X与Y通道数目不同时，有两种自身映射方式。一种是简单地将X相对Y缺失的通道直接补零从而使其能够相对齐，另一种则是通过使用1x1的卷积来表示 Ws 映射从而使得最终输入与输出的通道一致。
实验表明使用一般意义上的有参层来直接学习残差比直接学习输入、输出间映射要容易得多（收敛速度更快），也有效得多（可通过使用更多的层来达到更高的分类精度）。比如在极端情况下，如果自身映射是最优的，那么将残差设为零比通过使用一堆非线性层进行自身映射更容易。
完整的网络结构如下：
对于ResNet-50+的网络，为提高计算效率，使用类似GoogLeNet的“瓶颈层”。像Inception模块那样通过使用1x1卷积来巧妙地缩减或扩张特征图维度从而使得3x3 卷积的卷积核数目不受上一层输入的影响，它的输出也不会影响到下一层。不过它纯是为了节省计算时间进而缩小整个模型训练所需的时间而设计的，对最终的模型精度并无影响。
ResNet的实际训练如下：
实际的训练效果为可以堆叠很多的层而不使准确率下降：152在ImageNet上, 1202层在CIFAR上。现在和预想中的一致，网络越深，训练准确率越高。横扫了2015年所有的奖项，第一次超过人类的识别率。
下面左图通过Top1准确率来比较各种网络的准确性；右图是不同网络的运算复杂度，横轴为计算量，圆圈大小表示内存占用。其中 Inception-v4是 Resnet + Inception。
图中可以看出：
还可以比较前向传播时间和功率消耗：
⑺ 深度学习之卷积神经网络经典模型
LeNet-5模型 在CNN的应用中，文字识别系统所用的LeNet-5模型是非常经典的模型。LeNet-5模型是1998年，Yann LeCun教授提出的，它是第一个成功大规模应用在手写数字识别问题的卷积神经网络，在MNIST数据集中的正确率可以高达99.2%。
下面详细介绍一下LeNet-5模型工作的原理。
LeNet-5模型一共有7层，每层包含众多参数，也就是卷积神经网络中的参数。虽然层数只有7层，这在如今庞大的神经网络中可是说是非常少的了，但是包含了卷积层，池化层，全连接层，可谓麻雀虽小五脏俱全了。为了方便，我们把卷积层称为C层，下采样层叫做下采样层。
首先，输入层输入原始图像，原始图像被处理成32×32个像素点的值。然后，后面的隐层计在卷积和子抽样之间交替进行。C1层是卷积层，包含了六个特征图。每个映射也就是28x28个神经元。卷积核可以是5x5的十字形，这28×28个神经元共享卷积核权值参数，通过卷积运算，原始信号特征增强，同时也降低了噪声，当卷积核不同时，提取到图像中的特征不同；C2层是一个池化层，池化层的功能在上文已经介绍过了，它将局部像素值平均化来实现子抽样。
池化层包含了六个特征映射，每个映射的像素值为14x14，这样的池化层非常重要，可以在一定程度上保证网络的特征被提取，同时运算量也大大降低，减少了网络结构过拟合的风险。因为卷积层与池化层是交替出现的，所以隐藏层的第三层又是一个卷积层，第二个卷积层由16个特征映射构成，每个特征映射用于加权和计算的卷积核为10x10的。第四个隐藏层，也就是第二个池化层同样包含16个特征映射，每个特征映射中所用的卷积核是5x5的。第五个隐藏层是用5x5的卷积核进行运算，包含了120个神经元，也是这个网络中卷积运算的最后一层。
之后的第六层便是全连接层，包含了84个特征图。全连接层中对输入进行点积之后加入偏置，然后经过一个激活函数传输给输出层的神经元。最后一层，也就是第七层，为了得到输出向量，设置了十个神经元来进行分类，相当于输出一个包含十个元素的一维数组，向量中的十个元素即0到9。
AlexNet模型
AlexNet简介
2012年Imagenet图像识别大赛中，Alext提出的alexnet网络模型一鸣惊人，引爆了神经网络的应用热潮，并且赢得了2012届图像识别大赛的冠军，这也使得卷积神经网络真正意义上成为图像处理上的核心算法。上文介绍的LeNet-5出现在上个世纪，虽然是经典，但是迫于种种复杂的现实场景限制，只能在一些领域应用。不过，随着SVM等手工设计的特征的飞速发展，LeNet-5并没有形成很大的应用状况。随着ReLU与dropout的提出，以及GPU带来算力突破和互联网时代大数据的爆发，卷积神经网络带来历史的突破，AlexNet的提出让深度学习走上人工智能的最前端。
图像预处理
AlexNet的训练数据采用ImageNet的子集中的ILSVRC2010数据集，包含了1000类，共1.2百万的训练图像，50000张验证集，150000张测试集。在进行网络训练之前我们要对数据集图片进行预处理。首先我们要将不同分辨率的图片全部变成256x256规格的图像，变换方法是将图片的短边缩放到 256像素值，然后截取长边的中间位置的256个像素值，得到256x256大小的图像。除了对图片大小进行预处理，还需要对图片减均值，一般图像均是由RGB三原色构成，均值按RGB三分量分别求得，由此可以更加突出图片的特征，更方便后面的计算。
此外，对了保证训练的效果，我们仍需对训练数据进行更为严苛的处理。在256x256大小的图像中，截取227x227大小的图像，在此之后对图片取镜像，这样就使得原始数据增加了（256-224）x（256-224）x2= 2048倍。最后对RGB空间做PCA，然后对主成分做（0,0.1）的高斯扰动，结果使错误率下降1%。对测试数据而言，抽取以图像4个角落的大小为224224的图像，中心的224224大小的图像以及它们的镜像翻转图像，这样便可以获得10张图像，我们便可以利用softmax进行预测，对所有预测取平均作为最终的分类结果。
ReLU激活函数
之前我们提到常用的非线性的激活函数是sigmoid，它能够把输入的连续实值全部确定在0和1之间。但是这带来一个问题，当一个负数的绝对值很大时，那么输出就是0；如果是绝对值非常大的正数，输出就是1。这就会出现饱和的现象，饱和现象中神经元的梯度会变得特别小，这样必然会使得网络的学习更加困难。此外，sigmoid的output的值并不是0为均值，因为这会导致上一层输出的非0均值信号会直接输入到后一层的神经元上。所以AlexNet模型提出了ReLU函数，公式：f(x)=max(0,x)f(x)=max(0,x)。
用ReLU代替了Sigmoid，发现使用 ReLU 得到的SGD的收敛速度会比 sigmoid快很多，这成了AlexNet模型的优势之一。
Dropout
AlexNet模型提出了一个有效的模型组合方式，相比于单模型，只需要多花费一倍的时间，这种方式就做Dropout。在整个神经网络中，随机选取一半的神经元将它们的输出变成0。这种方式使得网络关闭了部分神经元，减少了过拟合现象。同时训练的迭代次数也得以增加。当时一个GTX580 GPU只有3GB内存，这使得大规模的运算成为不可能。但是，随着硬件水平的发展，当时的GPU已经可以实现并行计算了，并行计算之后两块GPU可以互相通信传输数据，这样的方式充分利用了GPU资源，所以模型设计利用两个GPU并行运算，大大提高了运算效率。
模型分析
AlexNet模型共有8层结构，其中前5层为卷积层，其中前两个卷积层和第五个卷积层有池化层，其他卷积层没有。后面3层为全连接层，神经元约有六十五万个，所需要训练的参数约六千万个。
图片预处理过后，进过第一个卷积层C1之后，原始的图像也就变成了55x55的像素大小，此时一共有96个通道。模型分为上下两块是为了方便GPU运算，48作为通道数目更加适合GPU的并行运算。上图的模型里把48层直接变成了一个面，这使得模型看上去更像一个立方体，大小为55x55x48。在后面的第二个卷积层C2中，卷积核的尺寸为5x5x48，由此再次进行卷积运算。在C1，C2卷积层的卷积运算之后，都会有一个池化层，使得提取特征之后的特征图像素值大大减小，方便了运算，也使得特征更加明显。而第三层的卷积层C3又是更加特殊了。第三层卷积层做了通道的合并，将之前两个通道的数据再次合并起来，这是一种串接操作。第三层后，由于串接，通道数变成256。全卷积的卷积核尺寸也就变成了13×13×25613×13×256。一个有4096个这样尺寸的卷积核分别对输入图像做4096次的全卷积操作，最后的结果就是一个列向量，一共有4096个数。这也就是最后的输出，但是AlexNet最终是要分1000个类，所以通过第八层，也就是全连接的第三层，由此得到1000个类输出。
Alexnet网络中各个层发挥了不同的作用，ReLU，多个CPU是为了提高训练速度，重叠pool池化是为了提高精度，且不容易产生过拟合，局部归一化响应是为了提高精度，而数据增益与dropout是为了减少过拟合。
VGG net
在ILSVRC-2014中，牛津大学的视觉几何组提出的VGGNet模型在定位任务第一名和分类任务第一名[[i]]。如今在计算机视觉领域，卷积神经网络的良好效果深得广大开发者的喜欢，并且上文提到的AlexNet模型拥有更好的效果，所以广大从业者学习者试图将其改进以获得更好地效果。而后来很多人经过验证认为，AlexNet模型中所谓的局部归一化响应浪费了计算资源，但是对性能却没有很大的提升。VGG的实质是AlexNet结构的增强版，它侧重强调卷积神经网络设计中的深度。将卷积层的深度提升到了19层，并且在当年的ImageNet大赛中的定位问题中获得了第一名的好成绩。整个网络向人们证明了我们是可以用很小的卷积核取得很好地效果，前提是我们要把网络的层数加深，这也论证了我们要想提高整个神经网络的模型效果，一个较为有效的方法便是将它的深度加深，虽然计算量会大大提高，但是整个复杂度也上升了，更能解决复杂的问题。虽然VGG网络已经诞生好几年了，但是很多其他网络上效果并不是很好地情况下，VGG有时候还能够发挥它的优势，让人有意想不到的收获。
与AlexNet网络非常类似，VGG共有五个卷积层，并且每个卷积层之后都有一个池化层。当时在ImageNet大赛中，作者分别尝试了六种网络结构。这六种结构大致相同，只是层数不同，少则11层，多达19层。网络结构的输入是大小为224*224的RGB图像，最终将分类结果输出。当然，在输入网络时，图片要进行预处理。
VGG网络相比AlexNet网络，在网络的深度以及宽度上做了一定的拓展，具体的卷积运算还是与AlexNet网络类似。我们主要说明一下VGG网络所做的改进。第一点，由于很多研究者发现归一化层的效果并不是很好，而且占用了大量的计算资源，所以在VGG网络中作者取消了归一化层；第二点，VGG网络用了更小的3x3的卷积核，而两个连续的3x3的卷积核相当于5x5的感受野，由此类推，三个3x3的连续的卷积核也就相当于7x7的感受野。这样的变化使得参数量更小，节省了计算资源，将资源留给后面的更深层次的网络。第三点是VGG网络中的池化层特征池化核改为了2x2，而在AlexNet网络中池化核为3x3。这三点改进无疑是使得整个参数运算量下降，这样我们在有限的计算平台上能够获得更多的资源留给更深层的网络。由于层数较多，卷积核比较小，这样使得整个网络的特征提取效果很好。其实由于VGG的层数较多，所以计算量还是相当大的，卷积层比较多成了它最显着的特点。另外，VGG网络的拓展性能比较突出，结构比较简洁，所以它的迁移性能比较好，迁移到其他数据集的时候泛化性能好。到现在为止，VGG网络还经常被用来提出特征。所以当现在很多较新的模型效果不好时，使用VGG可能会解决这些问题。
GoogleNet
谷歌于2014年Imagenet挑战赛（ILSVRC14）凭借GoogleNet再次斩获第一名。这个通过增加了神经网络的深度和宽度获得了更好地效果，在此过程中保证了计算资源的不变。这个网络论证了加大深度，宽度以及训练数据的增加是现有深度学习获得更好效果的主要方式。但是增加尺寸可能会带来过拟合的问题，因为深度与宽度的加深必然会带来过量的参数。此外，增加网络尺寸也带来了对计算资源侵占过多的缺点。为了保证计算资源充分利用的前提下去提高整个模型的性能，作者使用了Inception模型，这个模型在下图中有展示，可以看出这个有点像金字塔的模型在宽度上使用并联的不同大小的卷积核，增加了卷积核的输出宽度。因为使用了较大尺度的卷积核增加了参数。使用了1*1的卷积核就是为了使得参数的数量最少。
Inception模块
上图表格为网络分析图，第一行为卷积层，输入为224×224×3 ，卷积核为7x7，步长为2，padding为3，输出的维度为112×112×64，这里面的7x7卷积使用了 7×1 然后 1×7 的方式，这样便有(7+7)×64×3=2,688个参数。第二行为池化层，卷积核为3×33×3，滑动步长为2，padding为 1 ，输出维度：56×56×64，计算方式：1/2×(112+2×1?3+1)=56。第三行，第四行与第一行，第二行类似。第 5 行 Inception mole中分为4条支线，输入均为上层产生的 28×28×192 结果：第 1 部分，1×1 卷积层，输出大小为28×28×64；第 2 部分，先1×1卷积层，输出大小为28×28×96，作为输入进行3×3卷积层，输出大小为28×28×128；第 3部分，先1×1卷积层，输出大小为28×28×32，作为输入进行3×3卷积层，输出大小为28×28×32；而第3 部分3×3的池化层，输出大小为输出大小为28×28×32。第5行的Inception mole会对上面是个结果的输出结果并联，由此增加网络宽度。
ResNet
2015年ImageNet大赛中，MSRA何凯明团队的ResialNetworks力压群雄，在ImageNet的诸多领域的比赛中上均获得了第一名的好成绩，而且这篇关于ResNet的论文Deep Resial Learning for Image Recognition也获得了CVPR2016的最佳论文，实至而名归。
上文介绍了的VGG以及GoogleNet都是增加了卷积神经网络的深度来获得更好效果，也让人们明白了网络的深度与广度决定了训练的效果。但是，与此同时，宽度与深度加深的同时，效果实际会慢慢变差。也就是说模型的层次加深，错误率提高了。模型的深度加深，以一定的错误率来换取学习能力的增强。但是深层的神经网络模型牺牲了大量的计算资源，学习能力提高的同时不应当产生比浅层神经网络更高的错误率。这个现象的产生主要是因为随着神经网络的层数增加，梯度消失的现象就越来越明显。所以为了解决这个问题，作者提出了一个深度残差网络的结构Resial：
上图就是残差网络的基本结构，可以看出其实是增加了一个恒等映射，将原本的变换函数H(x)转换成了F(x)+x。示意图中可以很明显看出来整个网络的变化，这样网络不再是简单的堆叠结构，这样的话便很好地解决了由于网络层数增加而带来的梯度原来越不明显的问题。所以这时候网络可以做得很深，到目前为止，网络的层数都可以上千层，而能够保证很好地效果。并且，这样的简单叠加并没有给网络增加额外的参数跟计算量，同时也提高了网络训练的效果与效率。
在比赛中，为了证明自己观点是正确的，作者控制变量地设计几个实验。首先作者构建了两个plain网络，这两个网络分别为18层跟34层，随后作者又设计了两个残差网络，层数也是分别为18层和34层。然后对这四个模型进行控制变量的实验观察数据量的变化。下图便是实验结果。实验中，在plain网络上观测到明显的退化现象。实验结果也表明，在残差网络上，34层的效果明显要好于18层的效果，足以证明残差网络随着层数增加性能也是增加的。不仅如此，残差网络的在更深层的结构上收敛性能也有明显的提升，整个实验大为成功。
除此之外，作者还做了关于shortcut方式的实验，如果残差网络模块的输入输出维度不一致，我们如果要使维度统一，必须要对维数较少的进行増维。而增维的最好效果是用0来填充。不过实验数据显示三者差距很小，所以线性投影并不是特别需要。使用0来填充维度同时也保证了模型的复杂度控制在比较低的情况下。
随着实验的深入，作者又提出了更深的残差模块。这种模型减少了各个层的参数量，将资源留给更深层数的模型，在保证复杂度很低的情况下，模型也没有出现梯度消失很明显的情况，因此目前模型最高可达1202层，错误率仍然控制得很低。但是层数如此之多也带来了过拟合的现象，不过诸多研究者仍在改进之中，毕竟此时的ResNet已经相对于其他模型在性能上遥遥领先了。
残差网络的精髓便是shortcut。从一个角度来看，也可以解读为多种路径组合的一个网络。如下图：
ResNet可以做到很深，但是从上图中可以体会到，当网络很深，也就是层数很多时，数据传输的路径其实相对比较固定。我们似乎也可以将其理解为一个多人投票系统，大多数梯度都分布在论文中所谓的effective path上。
DenseNet
在Resnet模型之后，有人试图对ResNet模型进行改进，由此便诞生了ResNeXt模型。
这是对上面介绍的ResNet模型结合了GoogleNet中的inception模块思想，相比于Resnet来说更加有效。随后，诞生了DenseNet模型，它直接将所有的模块连接起来，整个模型更加简单粗暴。稠密相连成了它的主要特点。
我们将DenseNet与ResNet相比较:
从上图中可以看出，相比于ResNet，DenseNet参数量明显减少很多，效果也更加优越，只是DenseNet需要消耗更多的内存。
总结
上面介绍了卷积神经网络发展史上比较着名的一些模型，这些模型非常经典，也各有优势。在算力不断增强的现在，各种新的网络训练的效率以及效果也在逐渐提高。从收敛速度上看，VGG>Inception>DenseNet>ResNet,从泛化能力来看，Inception>DenseNet=ResNet>VGG，从运算量看来，Inception<DenseNet< ResNet<VGG，从内存开销来看，Inception<ResNet< DenseNet<VGG。在本次研究中，我们对各个模型均进行了分析，但从效果来看，ResNet效果是最好的，优于Inception，优于VGG，所以我们第四章实验中主要采用谷歌的Inception模型，也就是GoogleNet。
⑻ 卷积神经网络 有哪些改进的地方
卷积神经网络的研究的最新进展引发了人们完善立体匹配重建热情。从概念看，基于学习算法能够捕获全局的语义信息，比如基于高光和反射的先验条件，便于得到更加稳健的匹配。目前已经探求一些两视图立体匹配，用神经网络替换手工设计的相似性度量或正则化方法。这些方法展现出更好的结果，并且逐步超过立体匹配领域的传统方法。事实上，立体匹配任务完全适合使用CNN，因为图像对是已经过修正过的，因此立体匹配问题转化为水平方向上逐像素的视差估计。
与双目立体匹配不同的是，MVS的输入是任意数目的视图，这是深度学习方法需要解决的一个棘手的问题。而且只有很少的工作意识到该问题，比如SurfaceNet事先重建彩色体素立方体，将所有像素的颜色信息和相机参数构成一个3D代价体，所构成的3D代价体即为网络的输入。然而受限于3D代价体巨大的内存消耗，SurfaceNet网络的规模很难增大：SurfaceNet运用了一个启发式的“分而治之”的策略，对于大规模重建场景则需要花费很长的时间。
⑼ 一文看懂卷积神经网络-CNN（基本原理+独特价值+实际应用）
在 CNN 出现之前，图像对于人工智能来说是一个难题，有2个原因：
图像需要处理的数据量太大，导致成本很高，效率很低
图像在数字化的过程中很难保留原有的特征，导致图像处理的准确率不高
下面就详细说明一下这2个问题：
图像是由像素构成的，每个像素又是由颜色构成的。
现在随随便便一张图片都是 1000×1000 像素以上的， 每个像素都有RGB 3个参数来表示颜色信息。
假如我们处理一张 1000×1000 像素的图片，我们就需要处理3百万个参数！
1000×1000×3=3,000,000
这么大量的数据处理起来是非常消耗资源的，而且这只是一张不算太大的图片！
卷积神经网络 – CNN 解决的第一个问题就是“将复杂问题简化”，把大量参数降维成少量参数，再做处理。
更重要的是：我们在大部分场景下，降维并不会影响结果。比如1000像素的图片缩小成200像素，并不影响肉眼认出来图片中是一只猫还是一只狗，机器也是如此。
图片数字化的传统方式我们简化一下，就类似下图的过程：
假如有圆形是1，没有圆形是0，那么圆形的位置不同就会产生完全不同的数据表达。但是从视觉的角度来看， 图像的内容（本质）并没有发生变化，只是位置发生了变化 。
所以当我们移动图像中的物体，用传统的方式的得出来的参数会差异很大！这是不符合图像处理的要求的。
而 CNN 解决了这个问题，他用类似视觉的方式保留了图像的特征，当图像做翻转，旋转或者变换位置时，它也能有效的识别出来是类似的图像。
那么卷积神经网络是如何实现的呢？在我们了解 CNN 原理之前，先来看看人类的视觉原理是什么？
深度学习的许多研究成果，离不开对大脑认知原理的研究，尤其是视觉原理的研究。
1981 年的诺贝尔医学奖，颁发给了 David Hubel（出生于加拿大的美国神经生物学家） 和TorstenWiesel，以及 Roger Sperry。前两位的主要贡献，是“ 发现了视觉系统的信息处理 ”，可视皮层是分级的。
人类的视觉原理如下：从原始信号摄入开始（瞳孔摄入像素 Pixels），接着做初步处理（大脑皮层某些细胞发现边缘和方向），然后抽象（大脑判定，眼前的物体的形状，是圆形的），然后进一步抽象（大脑进一步判定该物体是只气球）。下面是人脑进行人脸识别的一个示例：
对于不同的物体，人类视觉也是通过这样逐层分级，来进行认知的：
我们可以看到，在最底层特征基本上是类似的，就是各种边缘，越往上，越能提取出此类物体的一些特征（轮子、眼睛、躯干等），到最上层，不同的高级特征最终组合成相应的图像，从而能够让人类准确的区分不同的物体。
那么我们可以很自然的想到：可以不可以模仿人类大脑的这个特点，构造多层的神经网络，较低层的识别初级的图像特征，若干底层特征组成更上一层特征，最终通过多个层级的组合，最终在顶层做出分类呢？
答案是肯定的，这也是许多深度学习算法（包括CNN）的灵感来源。
典型的 CNN 由3个部分构成：
卷积层
池化层
全连接层
如果简单来描述的话：
卷积层负责提取图像中的局部特征；池化层用来大幅降低参数量级(降维)；全连接层类似传统神经网络的部分，用来输出想要的结果。
下面的原理解释为了通俗易懂，忽略了很多技术细节，如果大家对详细的原理感兴趣，可以看这个视频《 卷积神经网络基础 》。
卷积层的运算过程如下图，用一个卷积核扫完整张图片：
这个过程我们可以理解为我们使用一个过滤器（卷积核）来过滤图像的各个小区域，从而得到这些小区域的特征值。
在具体应用中，往往有多个卷积核，可以认为，每个卷积核代表了一种图像模式，如果某个图像块与此卷积核卷积出的值大，则认为此图像块十分接近于此卷积核。如果我们设计了6个卷积核，可以理解：我们认为这个图像上有6种底层纹理模式，也就是我们用6中基础模式就能描绘出一副图像。以下就是25种不同的卷积核的示例：
总结：卷积层的通过卷积核的过滤提取出图片中局部的特征，跟上面提到的人类视觉的特征提取类似。
池化层简单说就是下采样，他可以大大降低数据的维度。其过程如下：
上图中，我们可以看到，原始图片是20×20的，我们对其进行下采样，采样窗口为10×10，最终将其下采样成为一个2×2大小的特征图。
之所以这么做的原因，是因为即使做完了卷积，图像仍然很大（因为卷积核比较小），所以为了降低数据维度，就进行下采样。
总结：池化层相比卷积层可以更有效的降低数据维度，这么做不但可以大大减少运算量，还可以有效的避免过拟合。
这个部分就是最后一步了，经过卷积层和池化层处理过的数据输入到全连接层，得到最终想要的结果。
经过卷积层和池化层降维过的数据，全连接层才能”跑得动”，不然数据量太大，计算成本高，效率低下。
典型的 CNN 并非只是上面提到的3层结构，而是多层结构，例如 LeNet-5 的结构就如下图所示：
卷积层 – 池化层- 卷积层 – 池化层 – 卷积层 – 全连接层
在了解了 CNN 的基本原理后，我们重点说一下 CNN 的实际应用有哪些。
卷积神经网络 – CNN 很擅长处理图像。而视频是图像的叠加，所以同样擅长处理视频内容。下面给大家列一些比较成熟的应用�：
图像分类、检索
图像分类是比较基础的应用，他可以节省大量的人工成本，将图像进行有效的分类。对于一些特定领域的图片，分类的准确率可以达到 95%+，已经算是一个可用性很高的应用了。
典型场景：图像搜索…
目标定位检测
可以在图像中定位目标，并确定目标的位置及大小。
典型场景：自动驾驶、安防、医疗…
目标分割
简单理解就是一个像素级的分类。
他可以对前景和背景进行像素级的区分、再高级一点还可以识别出目标并且对目标进行分类。
典型场景：美图秀秀、视频后期加工、图像生成…
人脸识别
人脸识别已经是一个非常普及的应用了，在很多领域都有广泛的应用。
典型场景：安防、金融、生活…
骨骼识别
骨骼识别是可以识别身体的关键骨骼，以及追踪骨骼的动作。
典型场景：安防、电影、图像视频生成、游戏…
今天我们介绍了 CNN 的价值、基本原理和应用场景，简单总结如下：
CNN 的价值：
能够将大数据量的图片有效的降维成小数据量(并不影响结果)
能够保留图片的特征，类似人类的视觉原理
CNN 的基本原理：
卷积层 – 主要作用是保留图片的特征
池化层 – 主要作用是把数据降维，可以有效的避免过拟合
全连接层 – 根据不同任务输出我们想要的结果
CNN 的实际应用：
图片分类、检索
目标定位检测
目标分割
人脸识别
骨骼识别
本文首发在 easyAI - 人工智能知识库
《 一文看懂卷积神经网络-CNN（基本原理+独特价值+实际应用） 》
⑽ 神经网络简述
机器学习中谈论的神经网络是指“神经网络学习”，或者说，是机器学习和神经网络这两个学科领域的交叉部分[1]。
在这里，神经网络更多的是指计算机科学家模拟人类大脑结构和智能行为，发明的一类算法的统称。
神经网络是众多优秀仿生算法中的一种，读书时曾接触过蚁群优化算法，曾惊讶于其强大之处，但神经网络的强大，显然蚁群优化还不能望其项背。
A、起源与第一次高潮。有人认为，神经网络的最早讨论，源于现代计算机科学的先驱——阿兰.图灵在1948年的论文中描述的“B型组织机器”[2]。二十世纪50年代出现了以感知机、Adaling为代表的一系列成功，这是神经网络发展的第一个高潮[1]。
B、第一次低谷。1969年，马文.明斯基出版《感知机》一书，书中论断直接将神经网络打入冷宫，导致神经网络十多年的“冰河期”。值得一提的是，在这期间的1974年，哈佛大学Paul Webos发明BP算法，但当时未受到应有的重视[1]。
C、第二次高潮。1983年，加州理工学院的物理学家John Hopfield利用神经网络，在旅行商问题上获得当时最好结果，引起轰动；Rumelhart等人重新发明了BP算法，BP算法迅速走红，掀起神经网络第二次高潮[1]。
D、第二次低谷。二十世纪90年代中期，统计学习理论和支持向量机兴起，较之于这些算法，神经网络的理论基础不清晰等缺点更加凸显，神经网络研究进入第二次低谷[1]。
E、深度学习的崛起。2010年前后，随着计算能力的提升和大数据的涌现，以神经网络为基础的“深度学习”崛起，科技巨头公司谷歌、Facebook、网络投入巨资研发，神经网络迎来第三次高潮[1]。2016年3月9日至15日，Google人工智能程序AlphaGo对阵韩国围棋世界冠军李世乭，以4:1大比分获胜，比众多专家预言早了十年。这次比赛，迅速在全世界经济、科研、计算机产业各领域掀起人工智能和深度学习的热烈讨论。
F、展望。从几个方面讨论一下。
1)、近期在Google AlphaGo掀起的热潮中，民众的热情与期待最大，甚至有少许恐慌情绪；计算机产业和互联网产业热情也非常巨大，对未来充满期待，各大巨头公司对其投入大量资源；学术界的反应倒是比较冷静的。学术界的冷静，是因为神经网络和深度神经网络的理论基础还没有出现长足的进步，其缺点还没有根本改善。这也从另一个角度说明了深度神经网络理论进步的空间很大。
2)、"当代神经网络是基于我们上世纪六十年代掌握的脑知识。"关于人类大脑的科学与知识正在爆炸式增长。[3]世界上很多学术团队正在基于大脑机制新的认知建立新的模型[3]。我个人对此报乐观态度，从以往的仿生算法来看，经过亿万年进化的自然界对科技发展的促进从来没有停止过。
3)、还说AlphaGo，它并不是理论和算法的突破，而是基于已有算法的工程精品。AlhphaGo的工作，为深度学习的应用提供了非常广阔的想象空间。分布式技术提供了巨大而廉价的计算能力，巨量数据的积累提供了丰富的训练样本，深度学习开始腾飞，这才刚刚开始。
一直沿用至今的，是McChlloch和Pitts在1943年依据脑神经信号传输结构抽象出的简单模型，所以也被称作”M-P神经元模型“。
其中，
f函数像一般形如下图的函数，既考虑阶跃性，又考虑光滑可导性。
实际常用如下公式，因形如S，故被称作sigmoid函数。
把很多个这样的神经元按一定层次连接起来，就得到了神经网络。
两层神经元组成，输入层接收外界输入信号，输出层是M-P神经元(只有输出层是)。
感知机的数学模型和单个M-P神经元的数学模型是一样的，如因为输入层只需接收输入信号，不是M-P神经元。
感知机只有输出层神经元是B-P神经元，学习能力非常有限。对于现行可分问题，可以证明学习过程一定会收敛。而对于非线性问题，感知机是无能为力的。
BP神经网络全称叫作误差逆传播(Error Propagation)神经网络，一般是指基于误差逆传播算法的多层前馈神经网络。这里为了不占篇幅，BP神经网络将起篇另述。
BP算法是迄今最为成功的神经网络学习算法，也是最有代表性的神经网络学习算法。BP算法不仅用于多层前馈神经网络，还用于其他类型神经网络的训练。
RBF网络全程径向基函数(Radial Basis Function)网络，是一种单隐层前馈神经网络，其与BP网络最大的不同是采用径向基函数作为隐层神经元激活函数。
卷积神经网络(Convolutional neural networks，简称CNNs)是一种深度学习的前馈神经网络，在大型图片处理中取得巨大成功。卷积神经网络将起篇另述。
循环神经网络(Recurrent Neural Networks，RNNs)与传统的FNNs不同，RNNs引入定向循环，能够处理那些输入之间前后关联的问题。RNNs已经在众多自然语言处理(Natural Language Processing, NLP)中取得了巨大成功以及广泛应用[5]。RNNs将起篇另述。[5]
[1]、《机器学习》，周志华着
[2]、《模式识别（第二版）》，Richard O.Duda等着，李宏东等译
[3]、《揭秘IARPA项目：解码大脑算法或将彻底改变机器学习》，Emily Singerz着，机器之心编译出品
[4]、图片来源于互联网
[5]、 循环神经网络(RNN, Recurrent Neural Networks)介绍