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11-09 周四 CNN 卷积神经网络基础知识

news 2025/9/26 10:14:46

11-09 周四 CNN 卷积神经网络

时间	版本	修改人	描述
2023年11月9日09:38:12	V0.1	宋全恒	新建文档

简介

学习一下CNN，卷积神经网络。使用的视频课程。视觉相关的任务：

人脸识别

卷积网络与传统网络的区别：

卷积神经网络是一个三维的数据，是h*w*c

整体架构

输入层
卷积层
池化层
全连接层

卷积层

调度卷积核是5*5*3，也是一个立方体的。

卷积神经网络也是使用一组权重参数进行加权求和得出的。

注：上图仅演示了一个通道，图像是3通道。

相当于权重参数矩阵为:

卷积神经网络的目的也是找到一组最佳的权重参数。

注：卷积核的第三个维度一定要一样才行。卷积采用内积实现。Filter的尺寸一般为3， 5，7。在进行卷积核的时候与卷积核的第三个维度数量相等。

5x5x3代表一个卷积核，该卷积核的深度为3，与输入的深度相同。得到一个特征图，深度与输入图相同。卷积核可以有多个，则可以得到多个特征图。即Feature W0， Feature W1, … 经过多个卷积核得到多个特征图feture picture。

如下图所示：

上图经过卷积层得到了28 * 28 * 6个特征图。

将经过卷积核卷积之后的图堆叠在一起，得到了特征图堆。并且，卷积应该经过多次，依次得到Low-level Feature， Mid-Level Feature， High-Level Feature。也就是说，一次卷积是不够的。

上图说明卷积核5 * 5 * 3得到的是一个值，一个立方体得到一个值。也就是说，一个图如果一个卷积核扫描完全部得到的是一个28 * 28 * 1的图。使用6个卷积核，则得到的卷积图是28 * 28 * 6.

第二卷积是10个 5x5x6得到就是24 * 24 * 10。

卷积核涉及参数

步长

步长为1，得到5 * 5，而步长为2，得到3 *3 。相当于步长越小，得到的特征较多，越丰富。一般视觉任务使用的步长为1，但相应的计算量较大，文本类任务，也有使用步长为2.

卷积核尺寸

卷积核尺寸越小，越细粒度。一般是3 * 3。

边缘填充

+pad,边缘填充属性。

越往边界的点，被利用的次数越少。下图中原始输入是5 * 5，通过边缘填充在边缘上变成了7 * 7. 又不希望添加的值影响计算。所以一般使用zero padding。

卷积计算公式

对于下面的案例，可以得到输出的尺寸：

在听这个课程的时候，学习了卷积核的作用。卷积核的深度与输入是相同的，因此，卷积核是一个立方体。但是得到的结果确实一个平面。因为一个输入图像区域只得到了一个值

具体可以参见 3D

2D卷积可以参见 2D卷积

卷积参数共享

卷积参数共享一个巨大的好处就是参数共享，同样的一组参数对图像中每个小区域进行处理。相对于传统的神经网络，参数降低了非常多。

10个 5 * 5 * 3卷积核，共75 * 10 =750个卷积参数再加上10个偏置项共760个参数。

池化层

卷积层的特征点太多，会导致计算量过大。而且有些特征对于任务并不重要。因此可以通过池化进行瘦身。降采样 downsample。

降采样的方式有最大值采样，平均值采样。降采样也有区域和步长。2 * 2 并且步长为2.池化层不涉及矩阵操作，而是仅仅筛选动作。

max pooling 最好的特征。
平均值池化 average pooling 用的比较少。

任务

如下图，卷积层要经过relu，非线性变换。卷积层和relu是一组。经过卷积组，池化，然后最后一个全连接FC进行分类。

每个卷积组：

卷积
Relu

在卷积层最后进行全连接时，需要将特征图进行拉长操作，将图拉成一个特征向量。最后与分类数量个神经元进行全连接。

一层神经网络： 带参数计算。relu是没有参数计算的。即激活没有参数。即POOL也没有参数计算的。如下图一共是7层神经网络。

特征图变化如下：

上图中转换即拉伸成向量。

Alexnet-2012

227 * 227 * 3

VGG-经典网络-2014

VGG filter均为3 * 3，卷积核比较小，网络层数为16。在池化后，通过增加卷积次数，即增加特征图的数量来弥补池化的损失。但Alexnet训练8小时，VGG可能需要3天才能训练完成。

VGG 在实验室 16层的网络，比30层的时候效果好，因为深度学习，越深越好，但实验结果令人失望，深度学习进入低谷。

Resnet残差网络-2015

何凯明的工作，将增加层数中具有促进效果的层数保留，网络训练的结果一定不会比之前差。

相当于残差网络拯救了深度学习神经网络。Resnet更加经典，更主流。

下图中橙色为Resnet，误差更小。

感受野

感受野有什么作用：希望感受野越来越大。3个3 * 3 得到的感受野为7 * 7，那么与直接使用7 * 7的卷积核进行卷积需要的区别。

堆叠小的卷积核需要的参数越少，训练更快。而且小卷积核由于经过的relu次数多，非线性特征保存的更好。

项目实战

构造神经网络

conv + relu 是一个组合。

in_channels : 通道数。
out_channels: 16,使用16个特征图。
kernel_size=5; 卷积核尺寸5 * 5
stride = 1；步长。
padding=2 ；边缘填充。
前向传播得到预测结果

训练

使用pytorch进行训练。

Vision模块

TorchVision有许多的数据集。

数据预处理
- dataset数据集
网络模块设置

分类任务

semantic segmentation

object detection， instance segmentation and Person Keypoint Detection

Video classfication
- 甚至可以拿到别人的预训练模型

网络模型保存和测试
- transforms
  - PIL Image

任务

任务介绍

flowers 一共102种分类。

要把数据和标签读进来。ImageFolder工具。

数据预处理
- DataLoader模块直接读取batch数据
网络模块设置
- 迁移学习
- 需要把head层改一改 256 * 256 ， 224 * 224
- 训练时可以全部重新训练，也可以只训练咱们任务的层，本质目标是一致的。
网络模型保存与测试

数据增强Data Augmentation

让数据量更多。

数据不够时，这样做。

如何更好的利用数据，倾斜，水平和垂直翻转，旋转，放大和缩小，即得到一个新的数据。

一般，网络的输入大小是固定的，因此，需要resize成预期大小。

下面代码中CenterCrop(224)中心裁剪。

RandomhorizontalFlip(p=0.5)概率值，是随机翻转的概率。

亮度，对比度，饱和度色相。

transforms.Normalize() 即要进行标准化，参数1为均值，参数2为标准差

具体的样例代码：

训练集做了标准化，则测试集也要做相同的标准化。

数据加载

读取标签对应的名字

展示下数据

迁移学习

迁移学习的目标是用别人训练好的参数来执行任务。尽可能差异比较少一些。

那么迁移学习，学那个部分呢：

A: 使用卷积层的权重参数进行初始化。
B：将人家训练好的参数冻住。对全连接层进行重新定义。
- 数据量越小，冻住的参数越多。不到10000.
- 数据量10000多，两万。挑出来一些。

迁移学习，学习的非常快。迁移学习拿过来的模型都是经过大量实验的结果，经典网络结构，得到的结果更快也更好。如VGG， ResNet。

模型加载

需要指定模型名称


device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

需要修改最后全连接层，为当前用户的任务分类数目。

加载模型，并使用预训练模型。

~/.cache/checkpoints/resnet152-b121ed2d.pth

model_ft = models.resnet152(pretrained=use_pretrained)
set_parameter_requires_grad(model_ft, feature_extract)
num_ftrs=model_ft.fc.in_features
model_ft.fc = nn.Sequential(nn.Linear(num_ftrs,102), nn.LogSoftmax(dim=1))
input_size= 224

设置那些层需要训练

如下的参数中：

model_name 指定了要使用的模型
102 指定了目标分类数
feature_extract: 是否要冻住某些模型
use_pretrained: 是否要使用预训练模型。

显示那些参数需要重新开始训练。

优化器设置

使用了学习率的衰减函数。效果会更稳定一些。

训练模块

保存模型参数权重字典

准确率

优化器参数权重字典

开始训练

model_fit, val_acc_history, train_acc_history, valid_losses, train_losses, LRs = train_model(model_ft, dataloaders, criterion, optimizer, num_epoches=10, is_inception=(model_name=='inception'))

测试网络效果

完整训练

将所有参数的require_grad设置为TRue，将学习率调整的小一些，以为之前用了别人的网络参数，学习率过大，可能会破坏掉之前的训练参数。

Load the checkpoint

加载之前保存的最好的模型继续开始训练。

实际测试

加载模型

测试数据预处理

将一张图像处理成输入。

得到处理结果

8是因为batchsize。

总结

看了一天这个课程，终于看完了，对于卷积神经网络也算是有了更加进一步的理解了。现在就是要多多实战，敲代码就好了。现在还有点困惑的点包括：

优化器的选择
损失函数的选择
不过，这个课程让自己对于卷积的理解加深了许多。

简介