自己动手实现一个深度学习算法——七、卷积神经网络

1.整体结构

卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）和神经网络一样，可以像乐高积木一样通过组装层来构建。不过，CNN 中新出现了卷积层（Convolution 层）和池化层（Pooling 层）。相邻层的所有神经元之间都有连接，这称为全连接（fully-connected）。Affine层实现了全连接层。

CNN 的层的连接顺序是“Convolution - ReLU -（Pooling）”（Pooling 层有时会被省略）。

2.卷积层

1）全连接层存在的问题

形状被“忽视”了。输入数据是图像时，图像通常是高、长、通道方向上的3维形状。但是，向全连接层输入时，需要将3维数据拉平为1维数据。

图像是3维形状，这个形状中应该含有重要的空间信息。比如，空间上邻近的像素为相似的值、RBG的各个通道之间分别有密切的关联性、相距较远的像素之间没有什么关联等，3维形状中可能隐藏有值得提取的本质模式。但是，因为全连接层会忽视形状，将全部的输入数据作为相同的神经元（同一维度的神经元）处理，所以无法利用与形状相关的信息。

而卷积层可以保持形状不变。当输入数据是图像时，卷积层会以 3 维数据的形式接收输入数据，并同样以3 维数据的形式输出至下一层。因此，在CNN中，可以（有可能）正确理解图像等具有形状的数据。

有时将卷积层的输入输出数据称为特征图（feature map）。其中，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（output feature map）。

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”。

对于输入数据，卷积运算以一定间隔滑动滤波器的窗口并应用。

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。

并且，CNN中也存在偏置。

3）填充

在进行卷积层的处理之前，有时要向输入数据的周围填入固定的数据（比如0等），这称为填充（padding），是卷积运算中经常会用到的处理。

使用填充主要是为了调整输出的大小。

4）步幅

应用滤波器的位置间隔称为步幅（stride）。

综上，增大步幅后，输出大小会变小。而增大填充后，输出大小会变大。

5）3维数据的卷积运算

通道方向上有多个特征图时，会按通道进行输入数据和滤波器的卷积运算，并将结果相加，从而得到输出

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。

把3维数据表示为多维数组时，书写顺序为（channel, height, width）。

滤波器也一样，要按（channel, height, width）的顺序书写。

7）批处理

需要将在各层间传递的数据保存为4维数据。按(batch_num, channel, height, width)的顺序保存数据。

3.池化层

池化是缩小高、长方向上的空间的运算。

除了Max池化之外，还有Average池化等。相对于Max池化是从目标区域中取出最大值，Average池化则是计算目标区域的平均值。在图像识别领域，主要使用Max池化。

1）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。计算是按通道独立进行的。

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。

4.卷积层和池化层的实现

1）im2co

im2col 是一个函数，将输入数据展开以适合滤波器（权重）。

在文件util.py， 添加代码如下：

def im2col(input_data, filter_h, filter_w, stride=1, pad=0):  """  将输入的4维张量进行im2col操作，转换为一维向量。  主要用于卷积神经网络的前向传播。  参数：  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，卷积步长  pad : 填充大小  返回：  col : 2维数组，转换后的一维向量  """  N, C, H, W = input_data.shape  # 获取输入数据的形状(N, C, H, W)，其中N是批量大小，C是通道数，H和W分别是高和宽。  out_h = (H + 2*pad - filter_h)//stride + 1  # 计算输出数据的高，使用了步长和填充来计算。  out_w = (W + 2*pad - filter_w)//stride + 1  # 计算输出数据的宽，同样使用了步长和填充来计算。  img = np.pad(input_data, [(0,0), (0,0), (pad, pad), (pad, pad)], 'constant')  # 在输入数据的边缘添加填充，保证滤波器可以平滑地应用到整个数据上。  col = np.zeros((N, C, filter_h, filter_w, out_h, out_w))  # 初始化一个零矩阵，用于存储卷积结果。  for y in range(filter_h):  # 遍历滤波器的高。  y_max = y + stride*out_h  # 计算y的最大值，作为卷积操作的边界。  for x in range(filter_w):  # 遍历滤波器的宽。  x_max = x + stride*out_w  # 计算x的最大值，作为卷积操作的边界。  col[:, :, y, x, :, :] = img[:, :, y:y_max:stride, x:x_max:stride]  # 在输入数据上进行卷积操作并将结果存储到col中。  col = col.transpose(0, 4, 5, 1, 2, 3).reshape(N*out_h*out_w, -1)  # 将col中的数据重新排列维度并转换为一维数组，方便后续的计算。  return col  # 返回转换后的一维数组。

2）卷积层的实现

在文件layers.py， 添加代码如下：

"""
实现了卷积神经网络中的卷积操作及其反向传播。在前向传播过程中，输入数据x经过卷积操作得到输出数据out，
中间保存了im2col的结果以及卷积核矩阵的转置，用于反向传播。在反向传播过程中，根据链式法则计算参数的梯度，并保存到dW和db属性中。
同时，通过矩阵乘法和col2im操作计算出梯度dx，即卷积的梯度。最后返回dx。
"""
class Convolution:# 定义一个名为Convolution的类  def __init__(self, W, b, stride=1, pad=0):# 初始化函数，接收四个参数：W（卷积核的权重矩阵），b（偏置向量），stride（步长），pad（填充大小）  self.W = Wself.b = bself.stride = strideself.pad = pad# 中间数据（backward时使用）  self.x = Noneself.col = Noneself.col_W = None# 定义三个属性，用于保存中间计算数据，这些数据在反向传播时会被使用  # 权重和偏置参数的梯度  self.dW = Noneself.db = None# 定义两个属性，用于保存参数的梯度，这些梯度在反向传播时会被使用  # 定义前向传播函数  def forward(self, x):FN, C, FH, FW = self.W.shape  # 获取卷积核的形状  N, C, H, W = x.shape  # 获取输入数据的形状  out_h = 1 + int((H + 2 * self.pad - FH) / self.stride)  # 计算输出数据的高out_w = 1 + int((W + 2 * self.pad - FW) / self.stride)  # 计算输出数据的宽# 对输入数据进行im2col操作，将数据展平为一维数组，并保存结果到col属性中  col = im2col(x, FH, FW, self.stride, self.pad)# 将卷积核矩阵展平为一维数组，并转置后保存结果到col_W属性中  col_W = self.W.reshape(FN, -1).T# 进行矩阵乘法运算：col * col_W，将结果保存到out属性中  out = np.dot(col, col_W) + self.b  # 进行矩阵乘法并加上偏置项b  # 将输出结果重新整理为和输入数据一样的形状，然后转置维度顺序，保存结果到out属性中  out = out.reshape(N, out_h, out_w, -1).transpose(0, 3, 1, 2)# 将输入数据保存到x属性中，卷积结果保存到out属性中，im2col的结果保存到col属性中，卷积核矩阵的转置保存到col_W属性中  self.x = xself.col = colself.col_W = col_Wreturn out  # 返回卷积结果  # 定义反向传播函数  def backward(self, dout):FN, C, FH, FW = self.W.shape  # 获取卷积核的形状  dout = dout.transpose(0, 2, 3, 1).reshape(-1, FN)  # 改变dout的维度顺序并重新整理形状，以便与矩阵乘法相适应# 计算偏置项的梯度，并保存到db属性中  self.db = np.sum(dout, axis=0)# 计算卷积核的梯度，并保存到dW属性中  self.dW = np.dot(self.col.T, dout)  # 进行矩阵乘法运算，结果保存到dW属性中  # 将dW的形状变换为原来的卷积核的形状，并保存结果到dW属性中  self.dW = self.dW.transpose(1, 0).reshape(FN, C, FH, FW)  # 将dW的形状变换为原来的卷积核的形状，并保存结果到dW属性中  # 对偏置项和卷积核的梯度进行矩阵乘法运算，得到dcol属性中，即dx的展开形式的一部分dcol = np.dot(dout, self.col_W.T)# 进行矩阵乘法运算，结果保存到dcol属性中dcol = np.dot(dout, self.col_W.T)# 进行矩阵乘法运算，结果保存到dcol属性中 定义一个名为Col2Im的类来将dx的计算结果重新整理dx = col2im(dcol, self.x.shape, FH, FW, self.stride, self.pad)# 将dcol重新整理为与输入数据x相同的形状，并保存结果到dx属性中return dx  # 返回dx，即卷积的梯度

3）池化层的实现

在文件layers.py， 添加代码如下：

"""这个Pooling类的实现对应于深度学习中常用的最大池化操作。在前向传播过程中，输入数据x经过池化操作得到输出数据out。这个过程包括对输入数据进行im2col操作，然后进行最大值选择和reshape操作。在反向传播过程中，根据链式法则计算参数的梯度，并保存到dW和db属性中。同时，通过矩阵乘法和col2im操作计算出梯度dx，即池化的梯度。最后返回梯度dx。
"""
class Pooling: # 定义一个名为Pooling的类，用于实现池化操作  def __init__(self, pool_h, pool_w, stride=1, pad=0): # 初始化函数，接收四个参数：池化窗口的高度和宽度，步长，填充大小  self.pool_h = pool_h # 保存池化窗口的高度  self.pool_w = pool_w # 保存池化窗口的宽度  self.stride = stride # 保存步长  self.pad = pad # 保存填充大小  # 初始化两个属性，用于保存中间计算数据，这些数据在反向传播时会被使用  self.x = None # 保存输入数据  self.arg_max = None # 保存最大值的索引  def forward(self, x): # 前向传播函数，接收输入数据x，并返回池化后的结果  N, C, H, W = x.shape # 获取输入数据的形状  out_h = int(1 + (H - self.pool_h) / self.stride) # 计算输出数据的高度  out_w = int(1 + (W - self.pool_w) / self.stride) # 计算输出数据的宽度  # 对输入数据进行im2col操作，将数据展平为一维数组，并保存结果到col属性中  col = im2col(x, self.pool_h, self.pool_w, self.stride, self.pad)  # 将展平的数据reshape为二维数组，并保存结果到col属性中  col = col.reshape(-1, self.pool_h*self.pool_w)  # 找出每列最大值的索引，并保存结果到arg_max属性中  arg_max = np.argmax(col, axis=1)  # 找出每列的最大值，并保存结果到out属性中  out = np.max(col, axis=1)  # 将结果重新整理为和输入数据一样的形状，然后转置维度顺序，保存结果到out属性中  out = out.reshape(N, out_h, out_w, C).transpose(0, 3, 1, 2)  # 将输入数据保存到x属性中，最大值的索引保存到arg_max属性中，池化结果保存到out属性中  self.x = x    self.arg_max = arg_max    return out  # 返回池化结果  def backward(self, dout): # 反向传播函数，接收梯度dout，并返回梯度dx  # 将dout的维度顺序转置，并重新整理形状，以便与矩阵乘法相适应  dout = dout.transpose(0, 2, 3, 1)    pool_size = self.pool_h * self.pool_w # 计算池化窗口的数量  # 初始化一个与dout形状相同但全为0的矩阵dmax  dmax = np.zeros((dout.size, pool_size))    # 将dout中对应最大值位置的元素赋值给dmax中对应位置的元素dmax[np.arange(self.arg_max.size), self.arg_max.flatten()] = dout.flatten()dmax = dmax.reshape(dout.shape + (pool_size,))# 对dmax进行矩阵乘法和reshape操作，将其转换为与原输入数据x相同的形状  dcol = dmax.reshape(dmax.shape[0] * dmax.shape[1] * dmax.shape[2], -1)  # 使用col2im函数将dcol转换回与原输入数据x相同的形状，并保存结果到dx属性中  dx = col2im(dcol, self.x.shape, self.pool_h, self.pool_w, self.stride, self.pad)  # 返回梯度dx  return dx

5.CNN的实现

CNN可以有效读取图像中的某种特性，在手写数字识别中，还可以实现高精度的识别。

网络的构成是“Convolution - ReLU - Pooling -Affine - ReLU - Affine - Softmax”,如下所示

创建文件SimpleConvNet.py， 添加代码如下：

# coding: utf-8
import sys, os
sys.path.append(os.pardir)  # 为了导入父目录的文件而进行的设定
import pickle
import numpy as np
from collections import OrderedDict
from common.layers import *
from common.gradient import numerical_gradientclass SimpleConvNet:"""简单的ConvNetconv - relu - pool - affine - relu - affine - softmaxParameters----------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 + 1pool_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 xdef 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 = 0.0for 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 gradsdef 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"""# forwardself.loss(x, t)# backwarddout = 1dout = 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'].dbgrads['W2'], grads['b2'] = self.layers['Affine1'].dW, self.layers['Affine1'].dbgrads['W3'], grads['b3'] = self.layers['Affine2'].dW, self.layers['Affine2'].dbreturn gradsdef save_params(self, file_name="params.pkl"):params = {}for key, val in self.params.items():params[key] = valwith 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] = valfor 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)]

创建文件train_convnet.py， 添加代码如下：

# coding: utf-8
import sys, os
sys.path.append(os.pardir)  # 为了导入父目录的文件而进行的设定
# 导入numpy库，为数据处理提供支持  
import numpy as np
# 导入matplotlib.pyplot库，用于数据可视化  
import matplotlib.pyplot as plt
# 从dataset.mnist模块导入load_mnist函数，用于加载MNIST数据集  
from dataset.mnist import load_mnist
# 从simple_convnet模块导入SimpleConvNet类，这是一个简单的卷积神经网络模型  
from simple_convnet import SimpleConvNet
# 从common.trainer模块导入Trainer类，这是一个通用的训练器，可以对网络进行训练和评估  
from common.trainer import Trainer# 加载MNIST数据集，这里的数据集是带标签的，所以输入数据x_train和标签t_train都是二维的numpy数组  
# x_train和t_train分别代表训练集的图像和标签，x_test和t_test分别代表测试集的图像和标签  
# load_mnist(flatten=False)表示不将图像数据扁平化处理，保持原有的28x28像素的图片格式
# 读入数据
(x_train, t_train), (x_test, t_test) = load_mnist(flatten=False)# 另外，为了处理大数据集和减少计算时间，有时候会只取部分数据进行训练和测试  
# 以下两行注释掉的数据处理就是取了MNIST数据集的前5000个训练样本和前1000个测试样本  
# x_train, t_train = x_train[:5000], t_train[:5000]
# x_test, t_test = x_test[:1000], t_test[:1000]# 定义最大训练轮数，即最大迭代次数  
max_epochs = 20# 初始化一个SimpleConvNet网络模型，输入数据的维度为(1,28,28)，即单通道28x28像素的图像  
# 卷积层包含30个大小为5x5的卷积核，padding为0，步长为1  
# 隐藏层大小为100，输出层大小为10，权重初始标准差为0.01  
network = SimpleConvNet(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)# 创建一个Trainer对象，传入网络模型、训练数据、测试数据、训练参数（最大迭代次数、mini batch大小、优化器类型及其参数等）  
trainer = Trainer(network, x_train, t_train, x_test, t_test,epochs=max_epochs, mini_batch_size=100,optimizer='Adam', optimizer_param={'lr': 0.001},evaluate_sample_num_per_epoch=1000)
# 使用Trainer对象的train方法对网络进行训练  
trainer.train()# 将网络模型的参数保存到文件中，文件名为"params.pkl"  
# 在实际应用中，这些参数可以用于以后的预测或模型的部署  
network.save_params("params.pkl")
print("Saved Network Parameters!")# 使用matplotlib库绘制训练集和测试集的准确率变化曲线  
# 首先定义标记类型和数据范围  
markers = {'train': 'o', 'test': 's'}
x = np.arange(max_epochs)  # x轴的数据范围从0到最大训练轮数（20）
plt.plot(x, trainer.train_acc_list, marker='o', label='train',markevery=2)  # 绘制训练集准确率曲线，标记为'o'（圆圈），标签为'train'，每隔两个点画一个标记
plt.plot(x, trainer.test_acc_list, marker='s', label='test',markevery=2)  # 绘制测试集准确率曲线，标记为's'（正方形），标签为'test'，每隔两个点画一个标记
plt.xlabel("epochs")  # x轴标签为"epochs"（训练轮数）
plt.ylabel("accuracy")  # y轴标签为"accuracy"（准确率）
plt.ylim(0, 1.0)  # y轴的数据范围从0到1（即准确率的范围）
plt.legend(loc='lower right')  # 图例显示在
#绘制图形
plt.show()
plt.show()

运行结果：

6.CNN的可视化

1）第1层权重的可视化

将卷积层（第 1层）的滤波器显示为图像。

创建文件visualize_filter.py， 添加代码如下：

# coding: utf-8
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from simple_convnet import SimpleConvNetdef filter_show(filters, nx=8, margin=3, scale=10):FN, C, FH, FW = filters.shapeny = int(np.ceil(FN / nx))fig = plt.figure()fig.subplots_adjust(left=0, right=1, bottom=0, top=1, hspace=0.05, wspace=0.05)for i in range(FN):ax = fig.add_subplot(ny, nx, i+1, xticks=[], yticks=[])ax.imshow(filters[i, 0], cmap=plt.cm.gray_r, interpolation='nearest')plt.show()network = SimpleConvNet()
# 随机进行初始化后的权重
filter_show(network.params['W1'])# 学习后的权重
network.load_params("params.pkl")
filter_show(network.params['W1'])

运行结果：

学习前

学习后

学习前的滤波器是随机进行初始化的，所以在黑白的浓淡上没有规律可循，但学习后的滤波器变成了有规律的图像。我们发现，通过学习，滤波器被更新成了有规律的滤波器，比如从白到黑渐变的滤波器、含有块状区域（称为blob）的滤波器等。

卷积层的滤波器会提取边缘或斑块等原始信息。而刚才实现的CNN会将这些原始信息传递给后面的层。

2）基于分层结构的信息提取

最开始的层对简单的边缘有响应，接下来的层对纹理有响应，再后面的层对更加复杂的物体部件有响应。也就是说，随着层次加深，神经元从简单的形状向“高级”信息变化。换句话说，就像我们理解东西的“含义”一样，响应的对象在逐渐变化。

如果堆叠了多层卷积层，则随着层次加深，提取的信息也愈加复杂、抽象，这是深度学习中很有意思的一个地方。最开始的层对简单的边缘有响应，接下来的层对纹理有响应，再后面的层对更加复杂的物体部件有响应。也就是说，随着层次加深，神经元从简单的形状向“高级”信息变化。换句话说，就像我们理解东西的“含义”一样，响应的对象在逐渐变化

7.具有代表性的CNN

1）LeNet

LeNet 在 1998 年被提出，是进行手写数字识别的网络。

它有连续的卷积层和池化层（正确地讲，是只“抽选元素”的子采样层），最后经全连接层输出结果。

和“现在的CNN”相比，LeNet有几个不同点。第一个不同点在于激活函数。LeNet 中使用sigmoid 函数，而现在的 CNN 中主要使用 ReLU函数。此外，原始的LeNet中使用子采样（subsampling）缩小中间数据的大小，而现在的CNN中Max池化是主流。

2）AlexNet

AlexNet 叠有多个卷积层和池化层，最后经由全连接层输出结果。虽然结构上AlexNet和LeNet没有大的不同，但有以下几点差异。
• 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。