卷积神经网络是如何更新参数的

① 卷积神经网络参数解析

（1）现象：

        （1-1）一次性将batch数量个样本feed神经网络，进行前向传播；然后再进行权重的调整，这样的一整个过程叫做一个回合（epoch），也即一个batch大小样本的全过程就是一次迭代。

        （1-2）将训练数据分块，做成批(batch training)训练可以将多个训练数据元的loss function求和，使用梯度下降法，最小化 求和后的loss function ，进而对神经网络的参数进行优化更新

（2）一次迭代：包括前向传播计算输出向量、输出向量与label的loss计算和后向传播求loss对权重向量 w 导数（梯度下降法计算），并实现权重向量 w 的更新。

（3）优点：

        （a）对梯度向量（代价函数对权值向量 w 的导数）的精确估计，保证以最快的速度下降到局部极小值的收敛性；一个batch一次梯度下降；

        （b）学习过程的并行运行；

        （c）更加接近随机梯度下降的算法效果；

        （d）Batch Normalization 使用同批次的统计平均和偏差对数据进行正则化，加速训练，有时可提高正确率 [7]

（4）现实工程问题：存在计算机存储问题，一次加载的batch大小受到内存的影响；

（5）batch参数选择：

        （5-1）从收敛速度的角度来说，小批量的样本集合是最优的，也就是我们所说的mini-batch，这时的batch size往往从几十到几百不等，但一般不会超过几千

        （5-2）GPU对2的幂次的batch可李丛核以发挥更佳的性能，因此设置成16、32、64、128...时往往要比设置为整10、整100的倍数时表现更优

    （6）4种加速批郑槐梯度下降的方法 [8] ：

        （6-1）使用动量－使用权重的 速度 而非 位置 来改变权重。

        （6-2）针对不同权重参数使用不同学习率。

        （6-3）RMSProp－这是Prop 的均方根 ( Mean Square ) 改进形式，Rprop 仅仅使用梯度的符号，RMSProp 是其针对 Mini-batches 的平均化版本

        （6-4）利用曲率信息的最优化方法。

（1）定义：运用梯度下降算法优化loss成本函数时，权重向量的更新规则中，在梯度项前会乘以一个系数，这个系数就叫学习速率η

（2）效果：

        （2-1）学习率η越小，每次迭代权值向量变化小，学习速度慢，轨迹在权值空间中较光滑，收敛慢；

        （2-2）学习率η越大，每次迭代权值向量变化大，学习速度快，但是有可能使变化处于震荡中，无法收敛；

    （3）处理方法：

        （3-1）既要加快学习速度又要保持稳定的方法修改delta法哪掘则，即添加动量项。

    （4）选择经验：

        （4-1）基于经验的手动调整。 通过尝试不同的固定学习率，如0.1, 0.01, 0.001等，观察迭代次数和loss的变化关系，找到loss下降最快关系对应的学习率。

        （4-2）基于策略的调整。

                （4-2-1）fixed 、exponential、polynomial

                （4-2-2）自适应动态调整。adadelta、adagrad、ftrl、momentum、rmsprop、sgd

    （5）学习率η的调整：学习速率在学习过程中实现自适应调整（一般是衰减）

        （5-1）非自适应学习速率可能不是最佳的。

        （5-2）动量是一种自适应学习速率方法的参数，允许沿浅方向使用较高的速度，同时沿陡峭方向降低速度前进

        （5-3）降低学习速率是必要的，因为在训练过程中，较高学习速率很可能陷入局部最小值。

参考文献：

[1]  Simon Haykin. 神经网络与机器学习[M]. 机械工业出版社, 2011.

[2]   训练神经网络时如何确定batch的大小？

[3]   学习笔记：Batch Size 对深度神经网络预言能力的影响  

[4]   机器学习算法中如何选取超参数：学习速率、正则项系数、minibatch size.  http://blog.csdn.net/u012162613/article/details/44265967

[5]   深度学习如何设置学习率 . http://blog.csdn.net/mao_feng/article/details/52902666

[6]   调整学习速率以优化神经网络训练. https://zhuanlan.hu.com/p/28893986

[7]   机器学习中用来防止过拟合的方法有哪些？

[8]   Neural Networks for Machine Learning by Geoffrey Hinton .

[9]   如何确定卷积神经网络的卷积核大小、卷积层数、每层map个数

[10]   卷积神经网络的卷积核大小、卷积层数、每层map个数都是如何确定下来的呢？

② 卷积神经网络用全连接层的参数是怎么确定的

卷积神经网络用全连接层的参数确定：卷积神经网络与传统的人脸检测方法不同，它是通过直接作用于输入样本，用样本来训练网络并最终实现检测任务的。

它是非参数型的人脸检测方法，可以省去传统方法中建模、参数估计以及参数检验、重建模型等的一系列复杂过程。本文针对图像中任意大小、位置、姿势、方向、肤色、面部表情和光照条件的人脸。

输入层

卷积神经网络的输入层可以处理多维数据，常见地，一维卷积神经网络的输入层接收一维或二维数组，其中一维数组通常为时间或频谱采样；二维数组可能包含多个通道；二维卷积神经网络的输入层接收二维或三维数组；三维卷积神经网络的输入层接收四维数组。

由于卷积神经网络在计算机视觉领域应用较广，因此许多研究在介绍其结构时预先假设了三维输入数据，即平面上的二维像素点和RGB通道。

③ 什么叫卷积 神经网络

卷积是一种数学运算，用于处理两个函数的叠加；卷积神经网络（Convolutional Neural Network，简称CNN）是一种深度学习模型，特别适用于处理具有网格结构的数据。以下是关于卷积和卷积神经网络的详细介绍：

一、卷积

在数学中，卷积是一种运算方式，用于描述两个函数在某种变换下的叠加效果。在神经网络中，卷积操作被赋予了新的意义，主要用于提取输入数据的特征。具体来说，卷积操作通过卷积核（Filter），即一个小的权重矩阵，在输入数据上滑动并进行加权求和，从而提取出数据的局部特征。

二、卷积神经网络

1. 基本结构：

   • 卷积层：包含多个卷积核，用于提取输入数据的特征。每个卷积核可以学习到不同的特征，如边缘、纹理等。
   • 池化层：也称为下采样层，用于减小特征图的尺寸，减少参数数量，降低过拟合风险。常见的池化操作有最大池化和平均池化。
   • 全连接层：将特征图转换为高维向量，用于分类或回归任务。在这一层中，每个神经元都与前一层的所有神经元相连。
   • 输出层：根据具体任务选择合适的激活函数和损失函数。对于分类任务，通常使用softmax激活函数和交叉熵损失函数。

2. 应用：

   • 图像识别：如物体识别、场景分类、人脸识别等。卷积神经网络能够学习到图像中的复杂特征，从而实现高精度的识别。
   • 视频分析：如动作识别、视频分类等。通过处理视频帧序列，卷积神经网络能够捕捉到视频中的运动信息。
   • 文本分析：如情感分析、文本分类等。虽然卷积神经网络在图像领域取得了显着成果，但其在文本处理领域的应用也日益广泛。通过处理文本的词向量表示，卷积神经网络能够学习到文本的语义特征。

综上所述，卷积神经网络是一种强大的深度学习模型，特别适用于处理具有网格结构的数据。通过卷积操作提取特征，卷积神经网络在图像识别、视频分析和文本分析等领域取得了显着的成果。

④ 残差神经网络和卷积神经网络的区别

网络结构区别、模型训练等区别。
1、网络结构区别：CNN卷积神经网络是一种经典的神经网络结构，主要由卷积层、池化层和全连接层组成。ResNet残差神经网络是一种引入了残差连接的深度神经网络结构。
2、模型训练区别：在训练CNN时，使用反向传播算法进行参数更新，通过最小化损失函数来优化网络权重。ResNet的训练过程中，由于引入了残差连接，可以通过跳过层级来传播梯度，缓解了梯度消失问题。使得网络可以更轻松地训练深层网络，加速收敛并提高性能。

⑤ 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

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