CNN之卷积计算层

1. CNN之卷积计算层

1.1 什么是卷积

首先，我们来了解下什么是卷积操作。
对图像（不同的数据窗口数据）和滤波矩阵（一组固定的权重：因为每个神经元的多个权重固定，所以又可以看做一个恒定的滤波器filter）做内积（逐个元素相乘再求和）的操作就是所谓的『卷积』操作，也是卷积神经网络的名字来源。

非严格意义上来讲，下图中红框框起来的部分便可以理解为一个滤波器，即带着一组固定权重的神经元。多个滤波器叠加便成了卷积层。



OK，举个具体的例子。比如下图中，图中左边部分是原始输入数据，图中中间部分是滤波器filter，图中右边是输出的新的二维数据。



分解下上图


对应位置上是数字先相乘后相加


=



中间滤波器filter与数据窗口做内积，其具体计算过程则是：4*0 + 0*0 + 0*0 + 0*0 + 0*1 + 0*1 + 0*0 + 0*1 + -4*2 = -8

1.2 图像上的卷积

在下图对应的计算过程中，输入是一定区域大小(width*height)的数据，和滤波器filter（带着一组固定权重的神经元）做内积后等到新的二维数据。
具体来说，左边是图像输入，中间部分就是滤波器filter（带着一组固定权重的神经元），不同的滤波器filter会得到不同的输出数据，比如颜色深浅、轮廓。相当于如果想提取图像的不同特征，则用不同的滤波器filter，提取想要的关于图像的特定信息：颜色深浅或轮廓。
如下图所示

1.3 GIF动态卷积图

在CNN中，滤波器filter（带着一组固定权重的神经元）对局部输入数据进行卷积计算。每计算完一个数据窗口内的局部数据后，数据窗口不断平移滑动，直到计算完所有数据。这个过程中，有这么几个参数：

　　a. 深度depth：神经元个数，决定输出的depth厚度。同时代表滤波器个数。

　　b. 步长stride：决定滑动多少步可以到边缘。
　　c. 填充值zero-padding：在外围边缘补充若干圈0，方便从初始位置以步长为单位可以刚好滑倒末尾位置，通俗地讲就是为了总长能被步长整除。

　　


cs231n课程中有一张卷积动图，貌似是用d3js 和一个util 画的，我根据cs231n的卷积动图依次截取了18张图，然后用一gif 制图工具制作了一gif 动态卷积图。如下gif 图所示，可以看到：

两个神经元，即depth=2，意味着有两个滤波器。
数据窗口每次移动两个步长取3*3的局部数据，即stride=2。
zero-padding=1。

然后分别以两个滤波器filter为轴滑动数组进行卷积计算，得到两组不同的结果。



如果初看此图，可能不一定能立马理解啥意思，但结合上文的内容后，理解这个动图已经不是很困难的事情：

左边是输入（7*7*3中，7*7代表图像的像素/长宽，3代表R、G、B 三个颜色通道）
中间部分是两个不同的滤波器Filter w0、Filter w1
最右边则是两个不同的输出

随着左边数据窗口的平移滑动，滤波器Filter w0 / Filter w1对不同的局部数据进行卷积计算。

值得一提的是：

左边数据在变化，每次滤波器都是针对某一局部的数据窗口进行卷积，这就是所谓的CNN中的局部感知机制。

打个比方，滤波器就像一双眼睛，人类视角有限，一眼望去，只能看到这世界的局部。如果一眼就看到全世界，你会累死，而且一下子接受全世界所有信息，你大脑接收不过来。当然，即便是看局部，针对局部里的信息人类双眼也是有偏重、偏好的。比如看美女，对脸、胸、腿是重点关注，所以这3个输入的权重相对较大。

与此同时，数据窗口滑动，导致输入在变化，但中间滤波器Filter w0的权重（即每个神经元连接数据窗口的权重）是固定不变的，这个权重不变即所谓的CNN中的参数（权重）共享机制。

再打个比方，某人环游全世界，所看到的信息在变，但采集信息的双眼不变。btw，不同人的双眼 看同一个局部信息 所感受到的不同，即一千个读者有一千个哈姆雷特，所以不同的滤波器 就像不同的双眼，不同的人有着不同的反馈结果

我第一次看到上面这个动态图的时候，只觉得很炫，另外就是据说计算过程是“相乘后相加”，但到底具体是个怎么相乘后相加的计算过程 则无法一眼看出，网上也没有一目了然的计算过程。本文来细究下。

首先，我们来分解下上述动图，如下图



接着，我们细究下上图的具体计算过程。即上图中的输出结果1具体是怎么计算得到的呢？其实，类似wx + b，w对应滤波器Filter w0，x对应不同的数据窗口，b对应Bias b0，相当于滤波器Filter w0与一个个数据窗口相乘再求和后，最后加上Bias b0得到输出结果1，如下过程所示：

然后滤波器Filter w0固定不变，数据窗口向右移动2步，继续做内积计算，得到0的输出结果



最后，换做另外一个不同的滤波器Filter w1、不同的偏置Bias b1，再跟图中最左边的数据窗口做卷积，可得到另外一个不同的输出。



总结

1. 首先收输入层是毛东西？

就是输入的图像，有可能是三通道的有可能是单通道的。

比如28*28*1或者28*28*3 分别代表的是大小为28*28，通道数分别为单通道和三通道的图片

2. 其次，什么是filter呢

filter的最大的特点是其深度与输入层的深度是一致的。输入层是单通道，filter也是单通道。 输入层是三通道，filter也是三通道！！！

3. 最后输出层又是什么呢?

输出层的就是filter遍历输入层后的的计算结果。

如下图所示：



4. 那么具体的计算过程是怎么样的呢？

这里只是想说，输出层的深度是滤波器的个数！每一个filter遍历输入层会产生一个深度的输出层，那么n个输出层就会产生n个深度的输出层（也就是输出层的深度啦）。

这里再说一下，输出层每一个深度的计算过程。比如，输入层是28*28*3的图像，filter为3*3*3的滤波器。那么3个通道的filter会相应的每一个通道相互独立计算，然后再将3个通道的值相加在一起。

这就是每一个filter的计提的计算过程。现在就是CNN卷积的处理过程。