卷积神经网络全面解析之代码注释
卷积神经网络算法分析及图像处理示例
卷积神经网络算法分析及图像处理示例卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）是一种广泛应用于图像处理、语音识别等领域的深度神经网络，在计算机视觉中被广泛应用。
它的特殊之处在于，它的网络结构与人类的视觉神经结构有异曲同工之妙，能够有效提取图片中的图像特征。
下面将介绍我们是如何应用卷积神经网络对图像进行处理的，并对算法进行分析。
首先来看卷积神经网络的基本算法思想。
卷积神经网络是由卷积层、池化层、全连接层等基本组件构成的，其中卷积层是卷积神经网络的核心，因为它负责特征提取。
这么说可能还不是很清楚，下面就来详细分析一下卷积神经网络的算法。
卷积神经网络的算法分析主要分为两个方面：卷积层的算法和反向传播算法。
1. 卷积层的算法卷积神经网络的卷积层基本操作是使用固定大小的窗口在输入特征图（inputfeature map）的每个位置上对应进行卷积，然后将这些卷积结果组合成输出特征图（output feature map）。
一个卷积滤波器（卷积核）从输入特征图的左上角开始移动，每次向右移动一个像素，然后再向下移动一个像素。
卷积核内的值与输入特征值相乘之和（即内积）即为卷积结果，而这个卷积结果则成为输出特征值。
在卷积过程中，卷积核通常是可以学习的，也就是说，网络会自适应地训练卷积核以自动提取有用的特征。
这个训练过程是通过反向传播实现的。
2. 反向传播算法反向传播算法是卷积神经网络使用的一种优化算法，用于计算网络的误差梯度，以便对网络进行调整。
反向传播算法主要分为两个步骤：前向传播和反向传播。
前向传播是卷积神经网络中的重要环节，通过这一步骤可以得到每个节点的输出（forward pass）。
它通过不断迭代多次前向传播来计算最终输出。
反向传播是指统计误差并利用误差信息来训练网络（backward pass）。
它通过计算误差的反向传播，逐层更新每个节点的权重来训练网络，完成优化操作。
odenet代码解读
Odenet 是一种用于汽车驾驶环境的深度学习网络模型，主要用于处理和识别车辆周围的环境信息，例如车辆、行人、交通标志等。
Odenet 模型是基于卷积神经网络（CNN）的，它可以在复杂的环境中提取有用的特征并做出分类。
一般来说，Odenet 模型的代码包含以下几个部分：
1. 数据预处理：这部分代码主要负责对输入的图像数据进行处理，例如归一化、裁剪、缩放等。
2. 网络结构定义：这部分代码定义了Odenet 模型的网络结构，包括卷积层、池化层、全连接层等。
3. 损失函数和优化器定义：这部分代码定义了模型的损失函数和优化器，例如交叉熵损失函数、随机梯度下降优化器等。
4. 模型训练：这部分代码主要负责训练模型，包括前向传播、损失计算、反向传播、参数更新等。
5. 模型评估：这部分代码主要负责评估模型的性能，包括计算模型的准确率、召回率、F1 分数等。
6. 模型部署：这部分代码主要负责将训练好的模型部署到实际应用中，例如车辆周围环境的识别等。
卷积神经网络之LeNet
卷积神经⽹络之LeNet开局⼀张图，内容全靠编。
上图引⽤⾃ . ⽬前常⽤的卷积神经⽹络深度学习现在是百花齐放，各种⽹络结构层出不穷，计划梳理下各个常⽤的卷积神经⽹络结构。
⽬前先梳理下⽤于图像分类的卷积神经⽹络LeNetAlexNetVGGGoogLeNetResNet本⽂是关于卷积神经⽹络的开⼭之作LeNet的，之前想着论⽂较早，⼀直没有细读，仔细看了⼀遍收获满满啊。
本⽂有以下内容：LeNet ⽹络结构LeNet 论⽂LeNet keras实现，并应⽤CIFAR10进⾏测试LeNet的贡献LeNet-5可谓是第⼀个卷积神经⽹络，并且在⼿写数字识别上取得了很好的效果。
对于图像像素作为神经⽹络的输⼊数据⾯临的⼀些问题：1. 图像数据量较⼤，单独像素独⽴输⼊神经元中，需要很⼤的⽹络结构，训练参数过多2. 图像的形变，形变引起的图像特征位置变化的问题3. 图像的局部相关性。
其提出了卷积神经⽹络的概念，并应⽤局部感受野权值共享下采样(池化)来解决上述问题。
LeNet⽹络结构1998年的诞⽣的LeNet(LeCun et al. )可谓是现在各种卷积神经⽹络的始祖了，其⽹络结构虽然只有5层，却包含了卷积神经⽹络的基本组件（卷积层，池化层，全连接层）输⼊层 INPUT输⼊32×32×1的图像第⼀个卷积层 CONV1使⽤6个尺⼨为5×5的滤波器，在卷积的过程中不做边缘填充，步长为stride=1。
单个核的卷积输出⼤⼩为(32−5+1)×(32−5+1)=28×28。
由于有6个卷积核，所以整个卷积层输出得到为Feature Map为 28×28×6。
该层的参数滤波器的核： (5×5+1)×6=156，每个滤波器除了5×5的核以外，还有⼀个偏置。
神经元的个数：28×28×6。
在卷积层中，卷积核每移动⼀步产⽣⼀个神经元的输出，也就相当于⼀个神经元。
conv参数
conv参数Conv参数详解卷积神经网络（Convolutional Neural Network，简称CNN）是深度学习中广泛应用于图像处理的一种神经网络。
在CNN中，卷积层是最重要的一层，而卷积层的核心就是卷积操作。
在进行卷积操作时，需要设置一些参数，这些参数被称为Conv参数。
本文将对Conv参数进行详细解释。
1. 卷积核大小（kernel_size）卷积核大小指的是卷积核的宽度和高度。
在进行卷积操作时，将卷积核从左到右、从上到下地滑动，在每个位置上与输入数据进行点乘并相加得到输出特征图。
卷积核大小会影响输出特征图的大小和形状。
2. 步长（stride）步长指的是每次滑动卷积核的距离。
如果步长为1，则每次滑动一个像素；如果步长为2，则每次滑动两个像素。
步长越大，则输出特征图的尺寸越小。
3. 零填充（padding）零填充指的是在输入数据周围添加一圈0来扩大输入数据的大小。
零填充可以使得输出特征图与输入数据大小相同或者更大，并且可以减少边缘像素的信息丢失。
4. 输入通道数（in_channels）输入通道数指的是输入数据的通道数。
对于彩色图像而言，其通道数为3，分别代表红、绿、蓝三个颜色通道。
对于黑白图像而言，其通道数为1。
5. 输出通道数（out_channels）输出通道数指的是输出特征图的通道数。
在卷积层中，每个卷积核都会生成一个输出特征图，因此输出特征图的数量等于卷积核数量，也就是输出通道数。
6. 激活函数（activation）激活函数指的是在卷积操作后对输出进行非线性变换的函数。
常用的激活函数包括ReLU、sigmoid和tanh等。
7. 权重初始化方式（weight_init）权重初始化方式指的是对卷积核权重进行初始化的方法。
常用的权重初始化方法包括随机初始化、Xavier初始化和He初始化等。
8. 偏置项（bias）偏置项指的是在卷积操作后加上一个常量值来平移输出特征图。
偏置项可以增加模型拟合能力，并且可以使得模型更加灵活。
神经网络算法的代码实现详解
神经网络算法的代码实现详解神经网络算法是一种模拟人脑神经系统的计算模型，它通过构建多层神经元网络来实现对数据的学习与预测。
本文将对神经网络算法的代码实现进行详细解析，通过Python语言实现。
1.数据准备首先，我们需要准备训练数据和测试数据。
训练数据是用来训练神经网络的样本，通常包含一组输入数据和对应的输出数据。
测试数据则是用来测试训练后的神经网络模型的准确性。
2.构建神经网络结构接下来，我们需要构建神经网络的结构。
神经网络通常由多层神经元组成，每层神经元与上一层的神经元全连接。
我们可以使用Python的Numpy库来创建神经网络的结构，其中的矩阵运算能够高效地实现神经网络算法。
3.定义激活函数神经网络中，每个神经元都需要一个激活函数来对输入数据进行处理，并输出非线性的结果。
常用的激活函数有sigmoid函数、ReLU 函数等。
我们可以在构建神经网络结构时定义激活函数。
4.前向传播前向传播是指从输入层开始，逐层计算神经元的输出，直到输出层为止。
这一过程可以通过矩阵运算实现，其中每一层的输出都是上一层输出与权重矩阵的乘积再经过激活函数处理得到。
最终，输出层的输出即为神经网络的预测结果。
5.反向传播反向传播是指根据预测结果，逐层更新权重矩阵，以使得预测结果与实际结果尽可能接近。
反向传播算法通过计算误差项，逆向更新权重矩阵。
误差项的计算根据损失函数的不同而有所差异，常用的损失函数有均方误差、交叉熵等。
6.更新权重矩阵根据反向传播算法计算得到的误差项，我们可以更新每一层的权重矩阵。
更新的方法一般是使用梯度下降算法，通过计算每个权重的梯度值以及学习率，来逐步调整权重的取值。
7.训练神经网络模型在完成以上步骤后，我们可以开始训练神经网络模型。
训练过程即是重复进行前向传播和反向传播，以不断更新权重矩阵。
通过多次迭代，使得神经网络模型的预测结果逼近真实结果。
8.测试神经网络模型在训练完成后，我们需要使用测试数据对神经网络模型进行测试，以评估其性能。
深度学习CNN卷积神经网络入门PPT课件
softmax
softmax直白来说就是将原来输出是3,1,-3通过softmax函数一作用，就映射成为 (0,1)的值，而这些值的累和为1
VGG刺猬特征图可视化
第一层卷积核学 到的图片特征
VGG刺猬特征图可视化
第一层特征图的细节比较清晰和输入图片较为相似，提取出了输入 图片的边缘。
VGG刺猬特征图可视化
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
感谢聆听
不足之处请大家批评指导
Please Criticize And Guide The Shortcomings
参数数目计算
C1有156个参数：(5*5+1)*6=156
S2有12个参数：因为S2中每个map中的每个点都与C1的四个点相连接进行池化，一般做完 池化操作比如取最大或平均，还要乘以一个数，再加一个bias，再非线性变换
C3有1516个参数：C3也是通过5*5的卷积核由14*14的map得到10*10的map，不过这里连接 方式有点复杂，共有(5*5*3+1)*6+(5*5*4+1)*9+(5*5*6+1)*1=1516个参数。
逻辑回归
过拟合与欠拟合
基础知识
过拟合与欠拟合
正则化
λ=1
λ=0
λ=100
过拟合与欠拟合解决方案
解决欠拟合(高偏差)的方法 1.增加神经网络的隐藏层数和隐藏单元数等 2.增加更多的特征 3.调整参数和超参数 超参数包括： 神经网络中：学习率、学习衰减率、隐藏层数、隐藏层的单元数、batch_size、正则化参数λ等 4.降低正则化约束
resnet unet++代码
深度学习模型在计算机视觉领域有着广泛的应用，其中ResNet和UNet++是两种常用的神经网络模型。
它们在图像分类、目标检测、分割等任务中都取得了很好的效果。
在本文中，我们将重点介绍ResNet和UNet++的原理以及它们的代码实现。
一、ResNet原理ResNet是由微软亚洲研究院提出的一种深度残差网络。
传统的深度神经网络在网络层数增加时，容易出现梯度消失或梯度爆炸的问题，导致训练困难。
ResNet通过引入残差块（Residual Block），可以解决这一问题。
残差块的结构是将输入直接与输出相加，这样可以更好地保留原始输入的信息，同时使得网络更容易训练。
总体来说，ResNet 的核心思想是“学习残差”，即学习网络输出与目标的残差，而不是直接学习目标。
二、ResNet代码实现1. 引入相关库我们需要引入相关的Python库，如tensorflow或PyTorch等。
2. 定义残差块在代码中，我们需要定义残差块的结构，包括卷积层、批量归一化层和激活函数等。
3. 构建ResNet网络接下来，我们可以根据具体的任务需求，构建一个完整的ResNet网络，包括多个残差块、池化层和全连接层等。
4. 编写训练代码我们可以编写训练代码，包括数据加载、损失函数定义、优化器选择和模型训练等步骤。
三、UNet++原理UNet++是对经典的UNet模型的改进版本，主要解决了UNet模型在处理多尺度信息时的不足。
UNet++通过引入密集连接和多尺度特征融合的机制，使得网络能够更好地捕获图像中的细节信息，从而在图像分割任务中取得更好的性能。
四、UNet++代码实现1. 定义多尺度特征融合模块在代码中，我们需要定义一个多尺度特征融合模块，用于将不同层级的特征图进行融合。
2. 构建UNet++网络接下来，我们可以根据具体的任务需求，构建一个完整的UNet++网络，包括编码器、解码器和多尺度特征融合模块等。
3. 编写训练代码我们可以编写训练代码，包括数据加载、损失函数定义、优化器选择和模型训练等步骤。
【机器学习基础】卷积神经网络（CNN）基础
【机器学习基础】卷积神经⽹络（CNN）基础最近⼏天陆续补充了⼀些“线性回归”部分内容，这节继续机器学习基础部分，这节主要对CNN的基础进⾏整理，仅限于基础原理的了解，更复杂的内容和实践放在以后再进⾏总结。
卷积神经⽹络的基本原理 前⾯对全连接神经⽹络和深度学习进⾏了简要的介绍，这⼀节主要对卷积神经⽹络的基本原理进⾏学习和总结。
所谓卷积，就是通过⼀种数学变换的⽅式来对特征进⾏提取，通常⽤于图⽚识别中。
既然全连接的神经⽹络可以⽤于图⽚识别，那么为什么还要⽤卷积神经⽹络呢？（1）⾸先来看下⾯⼀张图⽚： 在这个图⽚当中，鸟嘴是⼀个很明显的特征，当我们做图像识别时，当识别到有“鸟嘴”这样的特征时，可以具有很⾼的确定性认为图⽚是⼀个鸟类。
那么，在提取特征的过程中，有时就没有必要去看完整张图⽚，只需要⼀⼩部分就能识别出⼀定具有代表的特征。
因此，使⽤卷积就可以使某⼀个特定的神经元（在这⾥，这个神经元可能就是⽤来识别“鸟嘴”的）仅仅处理带有该特征的部分图⽚就可以了，⽽不必去看整张图⽚。
那么这样就会使得这个神经元具有更少的参数（因为不⽤再跟图⽚的每⼀维输⼊都连接起来）。
（2）再来看下⾯⼀组图⽚：上⾯两张图⽚都是鸟类，⽽不同的是，两只鸟的“鸟嘴”的位置不同，但在普通的神经⽹络中，需要有两个神经元，⼀个去识别左上⾓的“鸟嘴”，另⼀个去识别中间的“鸟嘴”： 但其实这两个“鸟嘴”的形状是⼀样的，这样相当于上⾯两个神经元是在做同⼀件事情。
⽽在卷积神经⽹络中，这两个神经元可以共⽤⼀套参数，⽤来做同⼀件事情。
（3）对样本进⾏⼦采样，往往不会影响图⽚的识别。
如下⾯⼀张图： 假设把⼀张图⽚当做⼀个矩阵的话，取矩阵的奇数⾏和奇数列，可看做是对图⽚的⼀种缩放，⽽这种缩放往往不会影响识别效果。
卷积神经⽹络中就可以对图⽚进⾏缩放，是图⽚变⼩，从⽽减少模型的参数。
卷积神经⽹络的基本结构如图所⽰： 从右到左，输⼊⼀张图⽚→卷积层→max pooling（池化层）→卷积层→max pooling（池化层）→......→展开→全连接神经⽹络→输出。
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卷积神经网络全面解析之代码注释自己平时看了一些论文，但老感觉看完过后就会慢慢的淡忘，某一天重新拾起来的时候又好像没有看过一样。
所以想习惯地把一些感觉有用的论文中的知识点总结整理一下，一方面在整理过程中，自己的理解也会更深，另一方面也方便未来自己的勘察。
更好的还可以放到博客上面与大家交流。
因为基础有限，所以对论文的一些理解可能不太正确，还望大家不吝指正交流.下面是自己对代码的注释：cnnexamples.m[plain]view plain copy1.clear all; close all; clc;2.addpath('../data');3.addpath('../util');4.load mnist_uint8;5.6.train_x = double(reshape(train_x',28,28,60000))/255;7.test_x = double(reshape(test_x',28,28,10000))/255;8.train_y = double(train_y');9.test_y = double(test_y');10.11.%% ex112.%will run 1 epoch in about 200 second and get around 11% error.13.%With 100 epochs you'll get around 1.2% error14.15.c yers = {16. struct('type', 'i') %input layer17. struct('type', 'c', 'outputmaps', 6, 'kernelsize', 5) %convolution layer18. struct('type', 's', 'scale', 2) %sub sampling layer19. struct('type', 'c', 'outputmaps', 12, 'kernelsize', 5) %convolution layer20. struct('type', 's', 'scale', 2) %subsampling layer21.};22.23.%这里把cnn的设置给cnnsetup，它会据此构建一个完整的CNN网络，并返回24.c nn = cnnsetup(cnn, train_x, train_y);25.26.%学习率27.o pts.alpha = 1;28.%每次挑出一个batchsize的batch来训练，也就是每用batchsize个样本就调整一次权值，而不是29.%把所有样本都输入了，计算所有样本的误差了才调整一次权值30.o pts.batchsize = 50;31.%训练次数，用同样的样本集。
我训练的时候：32.% 1的时候 11.41% error33.% 5的时候 4.2% error34.% 10的时候 2.73% error35.o pts.numepochs = 10;36.37.%然后开始把训练样本给它，开始训练这个CNN网络38.c nn = cnntrain(cnn, train_x, train_y, opts);39.40.%然后就用测试样本来测试41.[er, bad] = cnntest(cnn, test_x, test_y);42.43.%plot mean squared error44.p lot(cnn.rL);45.%show test error46.d isp([num2str(er*100) '% error']);cnnsetup.m[plain]view plain copy1.function net = cnnsetup(net, x, y)2. inputmaps = 1;3. % B=squeeze(A) 返回和矩阵A相同元素但所有单一维都移除的矩阵B，单一维是满足size(A,dim)=1的维。
4. % train_x中图像的存放方式是三维的reshape(train_x',28,28,60000)，前面两维表示图像的行与列，5. % 第三维就表示有多少个图像。
这样squeeze(x(:, :, 1))就相当于取第一个图像样本后，再把第三维6. % 移除，就变成了28x28的矩阵，也就是得到一幅图像，再size一下就得到了训练样本图像的行数与列数了7. mapsize = size(squeeze(x(:, :, 1)));8.9. % 下面通过传入net这个结构体来逐层构建CNN网络10. % n = numel(A)返回数组A中元素个数11. % yers中有五个struct类型的元素，实际上就表示CNN共有五层，这里范围的是512. for l = 1 : numel(yers) % layer13. if strcmp(yers{l}.type, 's') % 如果这层是子采样层14. % subsampling层的mapsize，最开始mapsize是每张图的大小28*2815. % 这里除以scale=2，就是pooling之后图的大小，pooling域之间没有重叠，所以pooling后的图像为14*1416. % 注意这里的右边的mapsize保存的都是上一层每张特征map的大小，它会随着循环进行不断更新17. mapsize = floor(mapsize / yers{l}.scale);18. for j = 1 : inputmaps % inputmap就是上一层有多少张特征图19. yers{l}.b{j} = 0; % 将偏置初始化为020. end21. end22. if strcmp(yers{l}.type, 'c') % 如果这层是卷积层23. % 旧的mapsize保存的是上一层的特征map的大小，那么如果卷积核的移动步长是1，那用24. % kernelsize*kernelsize大小的卷积核卷积上一层的特征map后，得到的新的map的大小就是下面这样25. mapsize = mapsize - yers{l}.kernelsize + 1;26. % 该层需要学习的参数个数。
每张特征map是一个(后层特征图数量)*(用来卷积的patch图的大小)27. % 因为是通过用一个核窗口在上一个特征map层中移动（核窗口每次移动1个像素），遍历上一个特征map28. % 层的每个神经元。
核窗口由kernelsize*kernelsize个元素组成，每个元素是一个独立的权值，所以29. % 就有kernelsize*kernelsize个需要学习的权值，再加一个偏置值。
另外，由于是权值共享，也就是30. % 说同一个特征map层是用同一个具有相同权值元素的kernelsize*kernelsize的核窗口去感受输入上一31. % 个特征map层的每个神经元得到的，所以同一个特征map，它的权值是一样的，共享的，权值只取决于32. % 核窗口。
然后，不同的特征map提取输入上一个特征map层不同的特征，所以采用的核窗口不一样，也33. % 就是权值不一样，所以outputmaps个特征map就有（kernelsize*kernelsize+1）* outputmaps那么多的权值了34. % 但这里fan_out只保存卷积核的权值W，偏置b在下面独立保存35. fan_out = yers{l}.outputmaps * yers{l}.kernelsize ^ 2;36. for j = 1 : yers{l}.outputmaps % output map37. % fan_out保存的是对于上一层的一张特征map，我在这一层需要对这一张特征map提取outputmaps种特征，38. % 提取每种特征用到的卷积核不同，所以fan_out保存的是这一层输出新的特征需要学习的参数个数39. % 而，fan_in保存的是，我在这一层，要连接到上一层中所有的特征map，然后用fan_out保存的提取特征40. % 的权值来提取他们的特征。
也即是对于每一个当前层特征图，有多少个参数链到前层41. fan_in = inputmaps * yers{l}.kernelsize ^ 2;42. for i = 1 : inputmaps % input map43. % 随机初始化权值，也就是共有outputmaps个卷积核，对上层的每个特征map，都需要用这么多个卷积核44. % 去卷积提取特征。
45. % rand(n)是产生n×n的 0-1之间均匀取值的数值的矩阵，再减去0.5就相当于产生-0.5到0.5之间的随机数46. % 再 *2 就放大到 [-1, 1]。
然后再乘以后面那一数，why？47. % 反正就是将卷积核每个元素初始化为[-sqrt(6 / (fan_in + fan_out)), sqrt(6 / (fan_in + fan_out))] 48. % 之间的随机数。
因为这里是权值共享的，也就是对于一张特征map，所有感受野位置的卷积核都是一样的49. % 所以只需要保存的是 inputmaps * outputmaps 个卷积核。
50. yers{l}.k{i}{j} = (rand(yers{l}.kernelsize) - 0.5) * 2 * sqrt(6 / (fan_in + fan_out));51. end52. yers{l}.b{j} = 0; % 将偏置初始化为053. end54. % 只有在卷积层的时候才会改变特征map的个数，pooling的时候不会改变个数。
这层输出的特征map个数就是55. % 输入到下一层的特征map个数56. inputmaps = yers{l}.outputmaps;57. end58. end。