正文

7.2 卷积层

7.2.1 全连接层存在的问题

全连接层存在的问题：数据的形状被“忽视”。

卷积神经网络可以保持形状不变。

卷积层的输入数据称为输入特征图（input feature map）

输出数据称为输出特征图（output feature map）

7.2.2 卷积运算

卷积层进行的处理就是卷积运算。卷积运算相当于图像处理中的“滤波器运算”。

将各个位置上滤波器的元素和输入的对应元素相乘，然后再求和（有时将这个计算称为乘积累加运算）。然后，将这个结果保存到输出的对应位置。将这个过程在所有位置都进行一遍，就可以得到卷积运算的输出。

7.2.3 填充

在卷积层的处理之前，向输入数据的周围填入固定的数据，称为填充（padding）。

7.2.4 步幅

应用滤波器的位置间隔称为步幅（stride）

假设输入大小为 $(H,W)$，滤波器大小为 $(FH, FW)$，输出大小为 $(OH,OW)$，填充为 $P$，步幅为 $S$。

$OH=\frac{H+2P-FH}{S}+1\\OW=\frac{W+2P-FW}{S}+1$

7.2.5 3维数据的卷积运算

7.2.6 结合方块思考

将数据和滤波器结合长方体的方块来考虑，3 维数据的卷积运算会很容易理解。

7.2.7 批处理

网络间传递的是 4 维数据，对这 N 个数据进行了卷积运算。也就是说，批处理将 N 次的处理汇总成了 1 次进行。

7.3 池化层

池化是缩小高、长方向上的空间的运算。

在图像识别领域，主要使用 Max 池化。

池化层的特征

没有要学习的参数
- 池化层和卷积层不同，没有要学习的参数。池化只是从目标区域中取最大值（或者平均值），所以不存在要学习的参数。
通道数不发生变化
- 经过池化运算，输入数据和输出数据的通道数不会发生变化。
对微小的位置变化具有鲁棒性（健壮）
- 输入数据发生微小偏差时，池化仍会返回相同的结果。因此，池化对输入数据的微小偏差具有鲁棒性。

7.4 卷积层和池化层的实现

7.4.1 4维数组

所谓4 维数据，比如数据的形状是(10, 1, 28, 28)，则它对应 10 个高为 28、长为 28、通道为 1 的数据。

x = np.random.rand(10, 1, 28, 28)
x.shape

(10, 1, 28, 28)

访问第 1 个数据：

x[0].shape

(1, 28, 28)

访问第1 个数据的第1 个通道的空间数据：

x[0, 0]  # 或 x[0][0]

7.4.2 基于 im2col 的展开

如果老老实实地实现卷积运算，估计要重复好几层的for语句。这样的实现有点麻烦，而且，NumPy中存在使用for语句后处理变慢的缺点（NumPy中，访问元素时最好不要用for语句）。

im2col是一个函数，将输入数据展开以适合滤波器（权重）。对 3 维的输入数据应用im2col后，数据转换为 2 维矩阵（正确地讲，是把包含批数量的 4 维数据转换成了 2 维数据）。

im2col 这个名称是“image to column”的缩写，翻译过来就是“从图像到矩阵”的意思。

7.4.3 卷积层的实现

im2col(input_data, filter_h, filter_w, stride=1, pad=0)

input_data―由（数据量，通道，高，长）的4维数组构成的输入数据
filter_h―滤波器的高
filter_w―滤波器的长
stride―步幅
pad―填充

import sys, os
sys.path.append(os.pardir)
from common.util import im2col

x1 = np.random.rand(1, 3, 7, 7)
col1 = im2col(x1, 5, 5, stride=1, pad=0)
print(col1.shape) # (9, 75)

x2 = np.random.rand(10, 3, 7, 7) # 10个数据
col2 = im2col(x2, 5, 5, stride=1, pad=0)
print(col2.shape) # (90, 75)

(9, 75)
(90, 75)

使用 im2col 来实现卷积层：

class Convolution:

    
    def __init__(self, W, b, stride=1, pad=0):
        """
        将滤波器（权重）、偏置、步幅、填充作为参数接收。
        滤波器是(FN, C, FH, FW) 的4 维形状。
        另外，FN、C、FH、FW 分别是Filter Number（滤波器数量）、Channel、Filter Height、Filter Width 的缩写。
        """
        self.W = W
        self.b = b
        self.stride = stride
        self.pad = pad
        
        
    def forward(self, x):
        FN, C, FH, FW = self.W.shape
        N, C, H, W = x.shape
        out_h = int(1 + (H + 2*self.pad - FH) / self.stride)
        out_w = int(1 + (W + 2*self.pad - FW) / self.stride)
        col = im2col(x, FH, FW, self.stride, self.pad)
        col_W = self.W.reshape(FN, -1).T # 滤波器的展开
        out = np.dot(col, col_W) + self.b
        out = out.reshape(N, out_h, out_w, -1).transpose(0, 3, 1, 2)  # 修改轴顺序
        return out

7.4.4 池化层的实现

池化的应用区域按通道单独展开。

class Pooling:
    
    
    def __init__(self, pool_h, pool_w, stride=1, pad=0):
        self.pool_h = pool_h
        self.pool_w = pool_w
        self.stride = stride
        self.pad = pad
    
    
    def forward(self, x):
        N, C, H, W = x.shape
        out_h = int(1 + (H - self.pool_h) / self.stride)
        out_w = int(1 + (W - self.pool_w) / self.stride)
        # 展开(1)
        col = im2col(x, self.pool_h, self.pool_w, self.stride, self.pad)
        col = col.reshape(-1, self.pool_h*self.pool_w)
        # 最大值(2)
        out = np.max(col, axis=1)
        # 转换(3)
        out = out.reshape(N, out_h, out_w, C).transpose(0, 3, 1, 2)
        return out

池化层的实现按下面 3 个阶段：

展开输入数据。
求各行的最大值。
转换为合适的输出大小

7.5 CNN 的实现

class SimpleConvNet:
    """简单的ConvNet

    conv - relu - pool - affine - relu - affine - softmax
    
    Parameters
    ----------
    input_size : 输入大小（MNIST的情况下为784）
    hidden_size_list : 隐藏层的神经元数量的列表（e.g. [100, 100, 100]）
    output_size : 输出大小（MNIST的情况下为10）
    activation : 'relu' or 'sigmoid'
    weight_init_std : 指定权重的标准差（e.g. 0.01）
        指定'relu'或'he'的情况下设定“He的初始值”
        指定'sigmoid'或'xavier'的情况下设定“Xavier的初始值”
    """
    def __init__(self, input_dim=(1, 28, 28), 
                 conv_param={'filter_num':30, 'filter_size':5, 'pad':0, 'stride':1},
                 hidden_size=100, output_size=10, weight_init_std=0.01):
        filter_num = conv_param['filter_num']
        filter_size = conv_param['filter_size']
        filter_pad = conv_param['pad']
        filter_stride = conv_param['stride']
        input_size = input_dim[1]
        conv_output_size = (input_size - filter_size + 2*filter_pad) / filter_stride + 1
        pool_output_size = int(filter_num * (conv_output_size/2) * (conv_output_size/2))

        # 初始化权重
        self.params = {}
        self.params['W1'] = weight_init_std * np.random.randn(filter_num, input_dim[0], filter_size, filter_size)
        self.params['b1'] = np.zeros(filter_num)
        self.params['W2'] = weight_init_std * np.random.randn(pool_output_size, hidden_size)
        self.params['b2'] = np.zeros(hidden_size)
        self.params['W3'] = weight_init_std * np.random.randn(hidden_size, output_size)
        self.params['b3'] = np.zeros(output_size)

        # 生成层
        self.layers = OrderedDict()
        self.layers['Conv1'] = Convolution(self.params['W1'], self.params['b1'],
                                           conv_param['stride'], conv_param['pad'])
        self.layers['Relu1'] = Relu()
        self.layers['Pool1'] = Pooling(pool_h=2, pool_w=2, stride=2)
        self.layers['Affine1'] = Affine(self.params['W2'], self.params['b2'])
        self.layers['Relu2'] = Relu()
        self.layers['Affine2'] = Affine(self.params['W3'], self.params['b3'])

        self.last_layer = SoftmaxWithLoss()

    def predict(self, x):
        for layer in self.layers.values():
            x = layer.forward(x)

        return x

    def loss(self, x, t):
        """
        求损失函数
        参数x是输入数据、t是教师标签
        """
        y = self.predict(x)
        return self.last_layer.forward(y, t)

    def accuracy(self, x, t, batch_size=100):
        if t.ndim != 1 : t = np.argmax(t, axis=1)
        
        acc = 0.0
        
        for i in range(int(x.shape[0] / batch_size)):
            tx = x[i*batch_size:(i+1)*batch_size]
            tt = t[i*batch_size:(i+1)*batch_size]
            y = self.predict(tx)
            y = np.argmax(y, axis=1)
            acc += np.sum(y == tt) 
        
        return acc / x.shape[0]

    def numerical_gradient(self, x, t):
        """求梯度（数值微分）

        Parameters
        ----------
        x : 输入数据
        t : 教师标签

        Returns
        -------
        具有各层的梯度的字典变量
            grads['W1']、grads['W2']、...是各层的权重
            grads['b1']、grads['b2']、...是各层的偏置
        """
        loss_w = lambda w: self.loss(x, t)

        grads = {}
        for idx in (1, 2, 3):
            grads['W' + str(idx)] = numerical_gradient(loss_w, self.params['W' + str(idx)])
            grads['b' + str(idx)] = numerical_gradient(loss_w, self.params['b' + str(idx)])

        return grads

    def gradient(self, x, t):
        """求梯度（误差反向传播法）

        Parameters
        ----------
        x : 输入数据
        t : 教师标签

        Returns
        -------
        具有各层的梯度的字典变量
            grads['W1']、grads['W2']、...是各层的权重
            grads['b1']、grads['b2']、...是各层的偏置
        """
        # forward
        self.loss(x, t)

        # backward
        dout = 1
        dout = self.last_layer.backward(dout)

        layers = list(self.layers.values())
        layers.reverse()
        for layer in layers:
            dout = layer.backward(dout)

        # 设定
        grads = {}
        grads['W1'], grads['b1'] = self.layers['Conv1'].dW, self.layers['Conv1'].db
        grads['W2'], grads['b2'] = self.layers['Affine1'].dW, self.layers['Affine1'].db
        grads['W3'], grads['b3'] = self.layers['Affine2'].dW, self.layers['Affine2'].db

        return grads
        
    def save_params(self, file_name="params.pkl"):
        params = {}
        for key, val in self.params.items():
            params[key] = val
        with open(file_name, 'wb') as f:
            pickle.dump(params, f)

    def load_params(self, file_name="params.pkl"):
        with open(file_name, 'rb') as f:
            params = pickle.load(f)
        for key, val in params.items():
            self.params[key] = val

        for i, key in enumerate(['Conv1', 'Affine1', 'Affine2']):
            self.layers[key].W = self.params['W' + str(i+1)]
            self.layers[key].b = self.params['b' + str(i+1)]

如果使用 MNIST 数据集训练 SimpleConvNet，则训练数据的识别率为 99.82%，测试数据的识别率为 98.96%（每次学习的识别精度都会发生一些误差）。测试数据的识别率大约为 99%，就小型网络来说，这是一个非常高的识别率。

7.7 具有代表性的 CNN

7.7.1 LeNet

于 1998 年首次被提出。

7.7.2 AlexNet

2012 年被提出，AlexNet 是引发深度学习热潮的导火线。

激活函数使用 ReLU
使用进行局部正规化的 LRN（Local Response Normalization）层
使用Dropout

7.8 小结

CNN在此前的全连接层的网络中新增了卷积层和池化层。
使用im2col函数可以简单、高效地实现卷积层和池化层。
通过CNN的可视化，可知随着层次变深，提取的信息愈加高级。
LeNet和AlexNet是CNN的代表性网络。
在深度学习的发展中，大数据和GPU做出了很大的贡献。