卷积神经网络

0、多层感知机

0.1、权重衰减

0.1.1 概念和用途

简单来说就是降低模型复杂度,防止出现过拟合。具体做法就是给损失函数增加一个penal项,当权重增加过大时,通过penal项提供惩罚降低权重。

0.1.2 公式和推导

penal项:

新的loss函数:

故需要最小化loss函数所得的随机梯度下降更新公式为:

0.2、丢弃法(Dropout)

0.2.1 概念和用途

通过将输出项随机置0,另一部分随机增大来控制模型复杂度。丢弃概率是控制模型复杂度的超参数。

一、基本概念

1.1 平移不变性

指检测对象在输入X中的平移,仅导致隐藏表示H中的平移。也就是说,四阶权重张量V和表示偏置参数的U都不受(i,j)的影响,即。因此,定义H为:

由此减少 了两个维度的系数。

1.2 局部性

为了收集用来训练的相关信息,不应偏离到距离(i,j)很远的地方。

这意味着在||>Δ或||>Δ的范围之外,我们可以设置,因此,我们可以将重写为

1.3 卷积层

即对普通的全连接层使用平移不变性和局部性得到卷积层 。

Q:跟卷积有什么关系?

A: 卷积函数形式表示为:,意思是先对g函数进行翻转,相当于在数轴上把g函数从右边褶到左边去,也就是卷积的"卷"的由来。

然后再把g函数平移到n,在这个位置对两个函数的对应点相乘,然后相加,这个过程是卷积的"积"的过程。

参考如何通俗易懂地解释卷积? - 知乎的回答,将卷积层通俗理解为:

使得权重张量根据不同像素坐标(a,b)实现在原来图像上的滑动。

二、填充和步幅

2.1 填充

2.1.1、问题背景

卷积层对输入和卷积核权重进行互相关运算,并在添加标量偏置之后产生输出。而当卷积核形状较大或者图像输入形状较小时,例如当图像输入时32×32,而卷积核形状为5×5,则深度学习模型层数最多为7层,难以达到预期效果。

解释:

输入图像:

卷积核:

输出:

2.1.2 思路

在输入周围添加额外的行/列,从而不改变输出的大小。具体做法就是填充行和列。

2.2 步幅

2.2.1、问题背景

当输入很大时需要大量计算才能得到较小输出。例如输入大小为224×224,但卷积核为5×5时,选哟44层才能将输入降低到4×4。

2.2.2 思路

控制卷积核在输入图像上滑动的步幅,成倍地减小输出形状,例如当步幅分别为和时,输出形状为:

三、卷积层的多输入多输出通道

3.1 多输入通道

3.1.1 背景

输入图片多为彩色图像,而彩色图像具有标准的RGB通道来代表红、绿和蓝。因此每个RGB输入图像具有3×ℎ×w的形状,将这个大小为3的轴称为通道(channel)维度。

3.1.2 计算方式

如下:

3.2 多输出通道

3.2.1 背景

每个通道都向后续层提供一组空间化的学习特征,意思就是说可以将每个通道看作对不同特征的响应,例如在靠近输入的底层,一些通道专门识别边缘,而一些通道专门识别纹理。

3.2.2 计算方式

每个核生成一个输出通道。

输入X:

核W:

输出Y:

最终输出多个通道

3.3 1 × 1卷积层

1×1卷积失去了卷积层的特有能力------在高度和宽度维度上,识别相邻元素间相互作用的能力,1×1卷积的唯一计算发生在通道上。因此以将1×1卷积层看作在每个像素位置应用的全连接层,以个输入值转换为个输出值。

四、汇聚层

4.1 概述

4.1.1 问题背景

降低卷积层对位置的敏感性,同时降低对空间降采样表示的敏感性。

4.1.2 特点

  • 输出通道数=输入通道数,即不对多个输入通道进行合并操作,交给卷积层做。
  • 仍可使用填充和步幅
  • 不包含参数

4.1.3 最大池化层

输出每个窗口中最强的模式信号,可用来确定边界。

4.1.4 平均池化层

输出每个窗口中平均的模式信号

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