深度学习：卷积神经网络CNN变体

╰+攻爆jí腚メ 2022-06-11 07:24 354阅读 0赞

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## 带步幅的多通道巻积 ##

很多时候，我们输入的是多通道图像。如RGB三通道图像，下图就是。也有可能我们出于特定目的，将几张图组成一组一次性输入处理。

### 多通道巻积 ###

假定我们有一个 4 维的核张量 K,它的每一个元素是 K i,j,k,l ,表示输出中处于通道 i 的一个单元和输入中处于通道 j 中的一个单元的连接强度,并且在输出单元和输入单元之间有 k 行 l 列的偏置。假定我们的输入由观测数据 V 组成,它的每一个元素是 V i,j,k ,表示处在通道 i 中第 j 行第 k 列的值。假定我们的输出 Z 和输入V 具有相同的形式。如果输出 Z 是通过对 K 和 V 进行卷积而不涉及翻转 K 得到的,那么

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这里对所有的 l,m 和 n 进行求和是对所有(在求和式中)有效的张量索引的值进行求和。在线性代数中,向量的索引通常从 1 开始,这就是上述公式中 −1 的由来。但是像 C 或 Python 这类编程语言索引通常从 0 开始,这使得上述公式可以更加简洁。

### 带步幅巻积 ###

我们有时会希望跳过核中的一些位置来降低计算的开销(相应的代价是提取特征没有先前那么好了)。我们可以把这一过程看作是对全卷积函数输出的下采样(downsampling)。如果我们只想在输出的每个方向上每间隔 s 个像素进行采样,那么我们可以定义一个下采样卷积函数 c 使得

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我们把 s 称为下采样卷积的 步幅(stride)。当然也可以对每个移动方向定义不同的步幅。

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### 示例 ###

对于这种情况，这时一个过滤器或卷积核其实对应的是x个卷积核（对应x通道）和一个偏置量，如下图中的`W0`和`W1`。一个通道中的某个区域（蓝框）和它对应的卷积核（红框）做卷积，多个通道的卷积结果线性相加，再加上偏置量（最下的单个红框），得到卷积结果（最右列中心的绿色框）。下图的卷积层包含2个多通道卷积核`W0`和`W1`，所以结果为2个绿色矩阵。而该卷积层的输出对于下一卷积层一定程度上也就可以说是2通道，处理方式也是类似。

下面的动画显示了包含两个filter的卷积层的计算。我们可以看到7\*7\*3输入，经过两个3\*3\*3filter的卷积(步幅为2)，得到了3\*3\*2的输出。另外我们也会看到下图的**Zero padding**是1，也就是在输入元素的周围补了一圈0。**Zero padding**对于图像边缘部分的特征提取是很有帮助的。

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以上就是卷积层的计算方法。这里面体现了局部连接和权值共享：每层神经元只和上一层部分神经元相连(卷积计算规则)，且filter的权值对于上一层所有神经元都是一样的。对于包含两个3\*3\*3的fitler的卷积层来说，其参数数量仅有(3\*3\*3+1)\*2=56个，且参数数量与上一层神经元个数无关。与全连接神经网络相比，其参数数量大大减少了。

示例中图和公式9.8对应关系。

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\[[cs231 Convolutional Neural Networks][]\]

\[[卷积神经网络CNN基本概念笔记][CNN]\]

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[cs231 Convolutional Neural Networks]: http://cs231n.github.io/convolutional-networks/
[CNN]: http://www.jianshu.com/p/606a33ba04ff