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详解卷积神经网络的复杂机制？
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2017-10-09
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随着复杂和高效的神经网络架构的出现，卷积神经网络（CNN）的性能已经优于传统的数字图像处理方法，如 SIFT 和 SURF。在计算机视觉领域，学者们开始将研究重点转移到 CNN，并相信 CNN 是这一领域的未来趋势。但是，人们对成效卓著的 CNN 背后的机理却缺乏了解。研究 CNN 的运行机理是当今一个热门话题。基本上，有三种主流观点：1》优化、2》近似、3》信号。前两种观点主要集中在纯数学分析，它们试图分析神经网络的统计属性和收敛性，而第三种观点信号尝试解决以下问题：1）为什么非线性激活函数（activation function）对所有中间层的过滤式输出（filter output）是必不可少的？2）双层级联系统（two-layer cascade system）比单层系统的优势在哪里？
球面修正相关性（REctified COrrelations on a Sphere/RECOS）
众所周知，前馈神经网络（FNN）可以被看作是一个万能的近似器，在给定包含有限数量神经元的单个隐藏层的情况下，它能够近似任何连续的函数。FNN 的特殊之处在于神经元的非线性激活函数。有的神经网络庞大且深度，但如果离开非线性激活函数，它们的复杂架构的效果与一个简单的单层线性模型没什么不同，都是将输入映射到另一个输出空间。具体来说，非线性激活函数学习到的输入的表征集合更适合解决实际问题。
CNN 只是 FNN 或 MLP（多层感知器/perceptron）的另一种类型。为了分析 CNN 的非线性，作者提出了一个数学模型来理解 CNN 的行为。在模型中，CNN 被视为由基本操作单元组成的一个网络，它们计算「球面修正相关（RECOS）」。因此，它被称为 RECOS 模型。在 CNN 训练期间，首先初始化核权重，然后通过梯度下降法（gradient descent）和反向传播（back propagation）算法进行调整。在 RECOS 模型中，权重被称为锚向量（anchor vector），以表示它们在聚类输入数据中的作用。也就是说，我们试图计算输入向量和锚向量之间的相关性，然后测量其相似度。
为什么用非线性激活函数？
与 MLP 仅用 1 步考虑所有像素的交互作用不同，CNN 将输入图像分解成较小的图像块（patch），在某些层中又被称为节点的感受域（receptive field）。算法逐渐扩大感受域的范围以覆盖更大的图像。神经元计算输入向量与其锚向量之间的相关性，以测量它们的相似度。每个 RECOS 单元中有 K 个神经元。我们将模型表示为 Y = AX，其中 X 是输入向量，Y 是输出向量，A 是我们的锚向量（核过滤器（kernel filter）的权重矩阵）。这个方程表示 CNN 将输入映射到另一个空间。通过研究 RECOS 模型，我们可以立即得出结论：学习到的核权重倾向于将相似的对象映射到同一个区域。例如，如果 x_i 与 x_j 的欧式距离相近，则相应的输出 y_i 和 y_j 在新空间中也必须相近。对于用于捕获猫的特征的过滤器，学习到的锚向量 A 将所有代表猫特征的向量 X_cat 映射为 Y_cat，而其它代表狗特征的向量 X_dog 或代表车特征的向量 X_car 将永远不会出现在这个区域。这就是 CNN 能够有效识别不同对象的原因。
球面修正相关性（REctified COrrelations on a Sphere/RECOS）
众所周知，前馈神经网络（FNN）可以被看作是一个万能的近似器，在给定包含有限数量神经元的单个隐藏层的情况下，它能够近似任何连续的函数。FNN 的特殊之处在于神经元的非线性激活函数。有的神经网络庞大且深度，但如果离开非线性激活函数，它们的复杂架构的效果与一个简单的单层线性模型没什么不同，都是将输入映射到另一个输出空间。具体来说，非线性激活函数学习到的输入的表征集合更适合解决实际问题。
CNN 只是 FNN 或 MLP（多层感知器/perceptron）的另一种类型。为了分析 CNN 的非线性，作者提出了一个数学模型来理解 CNN 的行为。在模型中，CNN 被视为由基本操作单元组成的一个网络，它们计算「球面修正相关（RECOS）」。因此，它被称为 RECOS 模型。在 CNN 训练期间，首先初始化核权重，然后通过梯度下降法（gradient descent）和反向传播（back propagation）算法进行调整。在 RECOS 模型中，权重被称为锚向量（anchor vector），以表示它们在聚类输入数据中的作用。也就是说，我们试图计算输入向量和锚向量之间的相关性，然后测量其相似度。
为什么用非线性激活函数？
与 MLP 仅用 1 步考虑所有像素的交互作用不同，CNN 将输入图像分解成较小的图像块（patch），在某些层中又被称为节点的感受域（receptive field）。算法逐渐扩大感受域的范围以覆盖更大的图像。神经元计算输入向量与其锚向量之间的相关性，以测量它们的相似度。每个 RECOS 单元中有 K 个神经元。我们将模型表示为 Y = AX，其中 X 是输入向量，Y 是输出向量，A 是我们的锚向量（核过滤器（kernel filter）的权重矩阵）。这个方程表示 CNN 将输入映射到另一个空间。通过研究 RECOS 模型，我们可以立即得出结论：学习到的核权重倾向于将相似的对象映射到同一个区域。例如，如果 x_i 与 x_j 的欧式距离相近，则相应的输出 y_i 和 y_j 在新空间中也必须相近。对于用于捕获猫的特征的过滤器，学习到的锚向量 A 将所有代表猫特征的向量 X_cat 映射为 Y_cat，而其它代表狗特征的向量 X_dog 或代表车特征的向量 X_car 将永远不会出现在这个区域。这就是 CNN 能够有效识别不同对象的原因。
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