卷积神经网络CNN（convolutional）

卷积运算：原图像*卷积核=新图像，经常用来做边缘检测 人造核：手动指定权重，改善效果

指定核权重为变量，通过反向传播，学习卷积核的权重 补白和步幅决定了卷积后的

补白Padding

• Valid convolution：p = 0 $n\times n * f\times f -> (n-f+1)\times (n-f+1)$
• Same convolution：n = n $(n+2p)\times (n+2p) * f\times f -> n\times n$得到填充边缘宽度$p = \frac{f-1}{2}$所以一般卷积核大小是奇数

步幅strides

s>1，图像也变小

三维卷积

对于RGB三通道图像，nc个滤波器，卷积叠加，得到深度为nc的图像

总结

趋势：缩减图片尺度，增加深度

CNN分类

卷积层Conv：

池化层Pool：减少图片宽度，用卷积核进行特征提取

欠采样（下采样），特征降维，压缩数据和参数，减小过拟合 只有超参数，没有参数 主要分类：

• 最大池化
• 平均池化

全连接层Fc：一般用来输出

总结

• 优势

1. 参数共享：将卷积核的参数共享给每组被卷积对象运算
2. 稀疏性联系：输出的值只与小部分输入相关

特点

CNN从前到后，维度缩减，参数增多

CNN案例

经典CNN

• LeNet-5（sigmoid激活，softmax分类）

• AlexNet

• VGGNet

残差网络

传统的plain network存在梯度指数现象

为了改善深度网络的梯度爆炸（消失）现象，使深度神经网训练可能

• Residual block

维数不一致的问题，可以通过构建权重矩阵，填充0元素或者其他方法进行适配

1x1 convolution

对image每个像素进行非线性函数映射，通过n个kernel，映射为n个特征，用于缩减图像特征深度

用法，生成中间量，减少运算量

直接5x5卷积 采用1x1卷积中间量，再用5x5卷积

Inception network

Main idea

Inception module

Inception network

• Inception module 的串联
• branches用于在中间预测结果，效果不差

Transfer learning

步骤

1. 下载源码，模型，权重参数
2. 修改末层结构，softmax分类或者
3. 冻结前层参数
4. 训练自己模型

Data Augmentation数据增强

可以预先处理， 也可以与训练并行处理

1、形状

• 镜像Mirroring
• 随机裁剪Random Cropping
• 旋转Rotation
• 倾斜Shearing
• 扭曲Local warping

2、色彩Color shifting

• 增减RGB通道值，改变量随机
• PCA，干扰主要元素

目标检测

概述

CV（computer vision）中，目标检测是并列与图像分类的一个重要应用 分类 -> 分类+定位 = 目标检测 -> 多目标检测

• 输出和cost function构造 输出$Y = [p_c,b_x,b_y,b_h,b_w,c_1,c_2……]$包含有没有物体、坐标和物体类别
• cost function 当$p_c$=1，计算均方根误差 $p_c$= 0,其他的不计算

Landmark Detection

人脸特征标记 姿态特征标记 特征构建Y = $[是不是脸,b_x{1},b_y{1},……,b_x{n},b_{yn}]$

目标检测几种思路

Sliding windows detection

1. 滑窗获取图像
2. 传给Classification
3. 增大windows size 和 stride 重复1

缺点：

• 小步长，计算量高
• 大步长，计算粗略，精度差

用卷积实现Turning FC layer into convolutional layers

用1x1卷积实现权重线性组合

缺点

定位不精确

输出更精确的边界框——YOLO

YOLO算法 you only look once 构造输出Y.shape = (h,w,l) h是高度图像分割的个数 w是宽度图像分割的个数 l方向是物体定位信息$[p_c,b_x,b_y,b_h,b_w,c_1,c_2……]$

非极大值抑制

1. 低于阈值，直接丢弃
2. 找出最大值
3. 与最大值重叠区域IoU>0.5，丢弃。多目标检测的话，运行多次IoU算法

Anchor Boxes

重叠物体检测，重建Y 矮胖，瘦长

人脸识别——单样本学习

• Verification验证 input： 图片 姓名 140311199402071213 output：是否对应

• Recognition识别 n个人的数据库 input：图片 output：140311199402071213 of person（如果图片在库里）

相似度函数$d(img1,img2)$，函数和照片没关系

孪生网络Siamese network

核心思想：NN生成编码，比较不同样本编码的范数 CNN的参数相同，

三重损耗函数 Triple loss

防止NN输出退化解，布置小于0 $\alpha$is margin

another相似性函数

风格转换Styler transfer

可视化hidden unit

浅层学习基本特征 深层学习宏观特征

cost function

Main idea: 和两张图片都很像 $J(G) = \alpha J_{content}(C,G) + \beta J_{style}(S,G)$

content cost function

Style cost function

$\lambda$是 l 层的权重

卷积1D和3D形式

1D形式

3D形式