深度卷积神经网络共108页

为了处理一维序列数据，便有了循环神经网络，以及基于循环神经网络 优化而来的lstm,attention机制等．
目录
Contents
2. 卷积神经网络
2.1. 卷积神经网络和深度学习的历史 2.2. 卷积神经网络的设计和原理 2.3. 卷积神经网络的神经科学基础
CNN处理图像
卷积神经网络的计算效率提升，参数量：10^12 －＞ 10^6
卷积神经网络池化有最大池化(max_pool)和平均池化(avg_pool)，顾名 思义，最大池化取区域内最大值，平均池化取区域内平均值．其它池化包 括L 2 范数以及依靠据中心像素距离的加权平均池化．
ＣＮＮ池化过程
CNN 特性－池化
为什么要池化？
１．减少参数的量，提高计算效率． ２．最大池化能显著增强局部特征，平均池化可减少噪声．
深度学习以及卷积神经网络的适用需要大量的有效训练数据，过去的互联网时代为 深度学习提供了大量的训练数据，同时随着几十年来硬件技术的发展，为利用和计算 大量数据提供了条件．所以，近年来，每一次模型算法的更新，都取得了良好的效果， 为深度学习这把火炬增添了燃料．
卷积神经网络和深度学习的历史
卷积神经网络提供了一种方法来专业化神经网络，以处理具有清楚的网 络结构的数据，以及将这样的模型放大到非常大的尺寸(加深层数).这种方法 在二维图像拓扑上的应用是最成功的．同时，卷积神经网络比全连接网络计 算效率更高，使用他们运行多个实验并调整它们的实现和超参数更容易，更 大的网络也更容易训练．
CNN特性－权值共享和多卷积核
卷积神经网络之所以计算效率高，对特征提取的效果好，主要是由于卷 积神经网络具有以下三个特性：权值共享，多卷积核，池化．
权值共享
请在这里输入论文答辩

5. C5层是一个卷积层，有120个特征图。每个单元与S4层的全部16个单元的5*5邻域 相连，故C5特征图的大小为1*1：这构成了S4和C5之间的全连接。之所以仍将C5 标示为卷积层而非全连接层，是因为如果LeNet-5的输入变大，而其他的保持不 变，那么此时特征图的维数就会比1*1大。C5层有48120个可训练连接。
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Convolutional Neural Networks
反向传播算法（Back Propagation）
• 反向传播算法是计算多层复合函数的所有变量的偏导数的利器，上面梯度下降的例子中就是求梯度， 简单的理解就是链式法则
根据链式法则，我们求e对a的偏导和e对d的偏导是如下所示:
可以看出，它们都求了e对c的偏导。对于权值动则数万的深度模型 中的神经网络，这样的冗余所导致的计算量是相当大的 BP算法则机智地避开了这种冗余，BP算法是反向(自上往下)来求偏 导的。
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LeNet-5
3. 根据对前面C1层同样的理解，我们很容易得到C3层的大小为10x10. 只不过，C3层的变成了16个 10x10网络，有16个卷积核。 如果S2层只有1个平面，那么由S2层得到C3就和由输入层得到C1层是完 全一样的。但是，S2层由多层，那么，只需要按照一定的顺利组合这些层就可以了。具体的组合规 则，在 LeNet-5 系统中给出了下面的表格：
什么是池化？
• 池化层主要的作用是下采样，通过去掉Feature Map 中不重要的样本，进一步减少参数数量。
• 池化的方法很多，最常用的是Max Pooling。Max Pooling实际上就是在n*n的样本中取最大值，作为采 样后的样本值。右图是2*2 max

6. F6层有84个单元（之所以选这个数字的原因来自于输出层的设计），与C5层 全相连。有10164个可训练参数。如同经典神经网络，F6层计算输入向量 和权重向量之间的点积，再加上一个偏置。然后将其传递给sigmoid函数 产生节点的输出。
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LetNet-5

比特面编码：将一个灰度图像为8 bit/像素中每个像素的第j个比特抽取出来，就得到一个称为比特平面的二值 图像，于是图像完全可以用一组共8个比特平面来表示，对灰度图像的编码转为对比特平面的二值化方块编码。 为此，将每个比特面分为不重叠的m×n个元素的子块。
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池化层的误差传递
大部分池化层没有需要训练的参数，只需要将误差传递。以Max Pooling为 例
Layer l-1
Layer l
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池化层的误差传递
5. C5层是一个卷积层，有120个特征图。每个单元与S4层的全部16个单元的5*5邻 域相连，故C5特征图的大小为1*1：这构成了S4和C5之间的全连接。之所以仍 将C5标示为卷积层而非全连接层，是因为如果LeNet-5的输入变大，而其他的 保持不变，那么此时特征图的维数就会比1*1大。C5层有48120个可训练连接。
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卷积层的训练
layer l-1
L-1
层
？
的
误
差
L-1
层 的
输 出
layer l
L
层 的 误 差
L
层 的 输 入
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卷积层的误差传播

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卷积层的误差传播

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卷积层的误差传播

卷积操作 21
卷积层filter权重梯度的计算

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卷积层filter权重梯度的计算

右图就是一个2维卷积的示意图，这里因为是 离散的卷积，所以可以直接把卷积理解为矩阵 相乘，即两个矩阵相乘，一个是输入矩阵，一 个是卷积核矩阵。输入矩阵一般都表示二维的 输入图像，而卷积核其实可以理解为图像处理 里面的算子，比如这些算子可以实现一些边缘 检测或者高斯模糊的效果，那么其实卷积操作 可以理解为对图像进行一些特征处理。
卷积层--convolution 池化层--pooling 全连接层—fully connected
江南大学-数媒学院-许鹏
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CNN-Overview
卷积神经网络是一种受到视觉感知机制启发的深度学习结构。1959年Hubel和Wiesel发现动物 的视觉皮质细胞负责在感知域内探测光照，受其启发，1980年Kunihiko Fukushima提出了一种 新型认知机并被认为是CNN的先驱。
Pooling Layer
有了pooling操作，我们就可以产生CNN的另外一种隐藏层了，就是pooling layer，这一层的产 生思想明确清晰，操作也简单。 如下图所示，由原始图像应用6个卷积核提取了6个feature map，然后针对这6个feature map做 pooling，还有一种叫法就是subsampling，即子采样，其实就和前面提到的稀疏连接和权值共 享一样，池化操作也会大大减少模型的参数。
这里的Roberts算子只是一个一阶算子，提取的 边缘信息还很有限，还有其他的二阶算子，比
如拉普拉斯算子。而且这里Roberts算子只提取 了某个像素对角线的梯度，而没有提取垂直方
向和水平方向的梯度，所以还有其他的算子用
于提取多个方向梯度，比如Sobel算子，Prewitt 算子等。
-1
0
0
1
0
-1

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

简洁、普适的结构模型。 特征提取与分类器可以一起学习。
神经网络简要介绍
人类视觉机理：
David Hubel 和 TorstenWiesel 发现了视觉系 统的信息处理 方式，即视皮 层的分级特性， 获得1981年诺 贝尔生理学或 医学奖。
Low-level sensing
Preprocessing
人工神经网络发展历程
• 发展基础：
数据爆炸：图像数据、文本数据、语音数 据、社交网络数据、科学计算等
计算性能大幅提高
• 为什么有效
– 浅层神经网络可以近似任意函数，为何多层？
深层网络结构中，高层可以综合应用低层信息。 低层关注“局部”，高层关注“全局”、更具有语
义化信息。 为自适应地学习非线性处理过程提供了一种可能的
感知机（Perceptron）
通过查找超平面解决二类分类问题（通过二值函数解决二类分类问题）
公式表达：
f (x) sign(w x)
w x 可看作对输入的空间变换
四种空间变换：维度、缩放、旋转、平移
感知机中的线性映射限制了模型的表达能力，线 性变化的组合仍为线性变化。
神经网络简要介绍
ANN基本构成：感知机（Perceptron）+激活函数
1、计算每层中每个节点的输出
y
m j

h(s
m j
)

h(
wimj
y m1 i
)
h()
为激活函数
2、在输出层计算损失

m j

h' (smj )(Tj

yi m j
)
Tj 为目标参考输出，一般从样本训练中得到。
神经网络简要介绍

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目录
0 1
概述与背景
人脑视觉机理 与特征表示
0 2
0 3
卷积神经 网络
TensorFlow的 相关介绍
0 4
12
3.1 初探----LeNet框架
3.卷积神经网络-CNN
LeCun 1998年，LeCun提出LeNet，并成功应用于美国手写数字识别。测试误差小于1%。 麻雀虽小，但五脏俱全，卷积层、pooling层、全连接层，这些都是现代CNN网络的基本组件。
第三次兴起（2012年）：深度学习的兴 起，一直到现在。
• 发展基础： 数据爆炸：图像数据、文本数据、 语音数据、社交网络数据、科学计 算等 计算性能大幅提高
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目录
0 1
概述与背景
人脑视觉机理 与特征表示
0 2
0 3
卷积神经 网络
TensorFlow的 相关介绍
0 4
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2.人脑视觉机理与特征表示
3.2 基本单元-----卷积层
3.卷积神经网络-CNN
如上图是LeNet-5，它的第一个卷积层含有6的feature map，每一个feature map对应一个卷积核，也就
对应提取了图像的一种特征。这里注意最终的feature map并不是做完卷积后的结果，然后还要加一个 非线性激活的操作，一般用ReLU函数，这个过程一般叫做detector stage。
Top Layer: the neurons respond to highly complex, abstract concepts that we would identify as different animals
输出: The network predicts what the

Notes: 式1:
神经网络的结点计算
前向计算：
反向传播：
神经网络梯度传播(链式法则）
Notes:
目录
Contents
2. 卷积神经网络
2.1. 卷积神经网络和深度学习的历史 2.2. 卷积神经网络的设计和原理 2.3. 卷积神经网络的神经科学基础
卷积神经网络和深度学习的历史
卷积神经网络在深度学习的历史中发挥了重要作用．它们是将研究大脑获得的深 刻理解成功应用于机器学习应用的关键例子，也是第一个表现良好的深度模型之 一．是第一个解决重要商业应用的神经网络，并且仍然是当今深度学习应用的前沿．
目录
Contents
3. CNN实现(tensorflow)
3.1.主流CNN模型介绍 3.2.使用tensorflow实现CNN 3.3.使用tensorflow实现其它模型
使用tensorflow搭建CNN
TensorFlow™ 是一个采用数据流图，用于数值计算的开源软件库。节点 在图中表示数学操作，图中的线则表示在节点间相互联系的多维数据数组， 即张量（tensor）。
深度学习以及卷积神经网络的适用需要大量的有效训练数据，过去的互联网时代为 深度学习提供了大量的训练数据，同时随着几十年来硬件技术的发展，为利用和计算 大量数据提供了条件．所以，近年来，每一次模型算法的更新，都取得了良好的效果， 为深度学习这把火炬增添了燃料．
卷积神经网络和深度学习的历史
卷积神经网络提供了一种方法来专业化神经网络，以处理具有清楚的网 络结构的数据，以及将这样的模型放大到非常大的尺寸(加深层数).这种方法 在二维图像拓扑上的应用是最成功的．同时，卷积神经网络比全连接网络计 算效率更高，使用他们运行多个实验并调整它们的实现和超参数更容易，更 大的网络也更容易训练．

Convolutional Neural Networks 卷积神经网络
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Contents
• 机器学习，神经网络，深度学习之间的关系 • 什么是神经网络 • 梯度下降算法 • 反向传播算法 • 神经网络的训练 • 什么是卷积 • 什么是池化 • LeNet-5 • 其它的工作
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Convolutional Neural Networks
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Convolutional Neural Networks
反向传播算法（Back Propagation）
• 反向传播算法是计算多层复合函数的所有变量的偏导数的利器，上面梯度下降的例子中就是求梯度， 简单的理解就是链式法则
根据链式法则，我们求e对a的偏导和e对d的偏导是如下所示:
可以看出，它们都求了e对c的偏导。对于权值动则数万的深度模型 中的神经网络，这样的冗余所导致的计算量是相当大的 BP算法则机智地避开了这种冗余，BP算法是反向(自上往下)来求偏 导的。
• 神经元：
,
• 每个连接都有一个权值
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图1.一个全连接的神经网络
Convolutional Neural Networks
梯度下降算法
• 梯度下降算法是用来求函数最小值的算法 • 每次沿着梯度的反方向，即函数值下降最快的方向，去
修改值，就能走到函数的最小值附近（之所以是最小值 附近而不是最小值那个点，是因为我们每次移动的步长 不会那么恰到好处，有可能最后一次迭代走远了越过了 最小值那个点）
什么是卷积？
右图展示了卷积的过程，和信号处理的卷积有所区别 卷积降低了网络模型的复杂度（对于很难学习的深层 结构来说，这是非常重要的），减少了权值的数量 黄色部分是卷积核
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Convolutional Neural Networks

降维 3 填充 4 数据格式
什么是填充值呢?
提到卷积层，就会不可避免地涉及填充这个名词以及填充值这个名词。那么，什么是填 充值呢?如图6-10所示，有一个5×5的图片，图片中的每一个格子都代表着一个像素，我 们依次滑动窗口，窗口大小我们取2×2，滑动步长我们设定为2，那么，我们会发现图中 会有一个像素没有办法滑动完毕，那么，该采用何种办法才能解决这样的问题呢？ 为了保证滑动操作能够顺利完成，我们需要在不足的部分上再补充一些像素，我们在原 先的矩阵图像上添加了一层填充值，使得图片变成了如图6-11所示的6×6的矩阵图像， 按照填充后的图像来进行步长为2的滑动，则刚好能够将所有像素遍历完成，这就是填充 值最显著的作用。
6.1：卷积神经网络
卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）是深度学习技术中 极具代表的网络结构之一，属于人工神经网络的一种。其应用最成功的领域就 是图像处理。在国际标准的ImageNet数据集上，许多成功的模型都是基于卷积神 经网络的应用。
卷积神经网络相较于传统的图像处理算法的优点在与避免了对图像处理时复 杂的前期预处理过程（提取人工特征等），可以直接输入原始图像。
1 输入和卷积核 2 降维 3 填充 4 数据格式
卷积是图像处理常用的方法，给定输入图像，在输出图像中每 一个像素是输入图像中一个小区域中像素的加权平均。其中权 值由一个函数定义，这个函数称为卷积核，比如说卷积公式：
R(u,v) G(u i, v j) f (i, j)
其中f为输入，G为卷积核。
该模型的基本参数为。
输入：224×224大小的图片，3通道。 第一层卷积：11×11大小的卷积核96个，每个GPU上48个。 第一层max-pooling：2×2的卷积核。 第二层卷积：5×5大小的卷积核256个，每个GPU上128个。 第二层max-pooling：2×2的卷积核。 第三层卷积：与上一层是全连接，3×3大小的的卷积核384个。分到两个GPU上各192 个。

隐含层的每一个神经元都连接10x10个图像区域，也就是说每 一个神经元存在10x10=100个连接权值参数。那如果我们每个神经 元这100个参数是相同，每个神经元用的是同一个卷积核去卷积图 像，这就是权值共享。
权值共享的优点：
一方面，重复单元能够对特征进行 识别，而不考虑它在可视域中的位置。 另一方面，权值 共享使得我们能更有 效的进行特征抽取，因为它极大的减少 了需要学习的自由变量的个数。通过控 制模型的规模，卷积网络对视觉问题可 以具有很好的泛化能力。
• CNNs它利用空间关系减少需要学习的参数数目以提高一般前 向BP算法的训练性能。CNNs作为一个深度学习架构提出是为 了最小化数据的预处理要求。在CNN中，图像的一小部分（局 部感受区域）作为层级结构的最低层的输入，信息再依次传输 到不同的层，每层通过一个数字滤波器去获得观测数据的最显 著的特征。这个方法能够获取对平移、缩放和旋转不变的观测 数据的显著特征，因为图像的局部感受区域允许神经元或者处 理单元可以访问到最基础的特征，例如定向边缘。
卷积神经网络应用
• LeNet-5手写数字识别
C1层： 输入图片大小： 卷积窗大小： 卷积窗种类： 输出特征图数量： 输出特征图大小： 神经元数量： 连接数： 可训练参数：
32*32 5*5 6 6 28*28 4707 122304 156
C1层是一个卷积层，卷积运算一个重
要的特点就是，通过卷积运算，可以使原 信号特征增强，并且降低干扰，由6个特征 图Feature Map构成。特征图中每个神经元 与输入中5*5的邻域相连。特征图的大小为 28*28，这样能防止输入的连接掉到边界之 外。C1有ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ56个可训练参数（每个滤波器 5*5=25个unit参数和一个bias参数，一共6 个滤波器，共(5*5+1)*6=156个参数），共 (5*5+1)*6*(28*28)=122,304个连接。

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多层感知器预测
将光栅化后的向量连接到多层感知器
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CNN参数更新
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多层感知器层
• 残差定义 • 使用多层感知器的参数估计方法，得到其最低的一个隐层 s 的残差向量 • δs 。 • 现在需要将这个残差传播到光栅化层 r ，光栅化的时候并没有对向量的
值做修改，因此其激活函数为恒等函数，其导数为单位向量。
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隐层­输出层
可以视为级联在隐层上的一个感知器。若为二分类，则常用 LogisticRegression；若为多分类，则常用Softmax Regression。
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核心！权值、偏置估计（结论如下，推导见“卷积神经网络全面 解析”）
• 残差定义：
假设有层 p, q, r ，分别有 l, m, n 个节点，
对网络权值的训练，可以使感知器对一组输人矢量的响应达到元素为0或1 的目标输出，从而实现对输人矢量分类的目的。
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单层感知器作用范围
• 感知器是一个简单的二类分类的线性分类模型，要求我们的样本是线性可 分的。
4
多层感知器
多层感知器的思路是，尽管原始数据是非线性可分的，但是可以通过某种方 法将其映射到一个线性可分的高维空间中，从而使用线性分类器完成分类。 图1中，从X到O这几层，正展示了多层感知器的一个典型结构，即输入层­隐 层­输出层。
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• 对权值和偏置的更新：
卷积层
• 其中，rot180 是将一个矩阵旋转180度； Oq'是连接到该卷积层前的池化 层的输出。
•
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卷积层的残差反传？
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整体思路
• 以层为单位，分别实现卷积层、池化层、光栅化层、MLP隐层、分类层这 五个层的类。其中每个类都有output和backpropagate这两个方法。

•ReLU激励层 / ReLU layer
•池化层 / Pooling layer
•全连接层大/家好FC layer
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卷积神经网络（CNN)介绍
数据输入层
该层要做的处理主要是对原始图像数据进行预处理，其中 包括：
•去均值：把输入数据各个维度都中心化为0
•归一化：幅度归一化到同样的范围
•PCA/白化：用PCA降维；白化是对数据各个特征轴上 的幅度归一化
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卷积神经网络（CNN)介绍
卷积计算层
大家好
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卷积层的计算过程
卷积运算的特点：通过卷积运算，可
以使原信号特征增强，并且降低噪音
大家好
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卷积层的计算过程
同一个图片，经过两个（红色、绿色）不同的filters扫描过后可得到不同 特点的Feature Maps。 每增加一个filter，就意味着你想让网络多抓取一个 特征。
将卷积所得的Feature Map经过ReLU变换（elementwise）后所得到的 output就如下图所展示
大家好
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卷积神经网络（CNN)介绍
池化层
池化层夹在连续的卷积层中间，用于压缩数据和参数的量，减小过 拟合。简而言之，如果输入是图像的话，那么池化层的作用就是压 缩图像。
池化层用的方法有Max pooling 和 average pooling，而实际用的较多 的是Max pooling
深度学习二
卷积神经网络
讲解人：
导 师：
大家好
1
内容
• 卷积神经网络（CNN）介绍 • LeNet5模型的介绍 • 分析 LeNet5模型相关代码 • LeNet5 模型的训练代码 • 实验结果

需要注意的是S1到C2的的连接，C2层的 每个神经元只是部分与S1层的神经元连接， 而传统的BP网络中每个神经元会与上一层 的所有神经元进行连接。
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卷积的过程
左边是被卷积图片的像素显示，其中的数 字代表每个像素点的像素值。中间的小图 片就是卷积核，卷积核会从图片的左上角 开始从左到右从上到下的进行卷积操作， 每一次的卷积操作如右图所示：卷积核里 的每个值与其对应位置的图片像素值相乘， 再将所有相乘的结果求和就得到了结果。
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CNN网络的执行过程
右图展示了Input图片经过卷基层的过程，该卷 基层有六个神经元，每个神经元有一个卷积核。
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CNN网络的执行过程
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池化的过程
一般经过卷积操作后生成的图像尺寸还是 太大，为了减少网络计算的复杂度，需要 把卷及操作后的图片进行缩小，也就是进 行池化(Pooling)。池化字面理解就是把 图片分成一个个池子，常用的池化有最大 池化和平均池化，右图展示的是最大池化， 把图片分为了四个2*2的池子，选取每个 池子中的最大值作为结果。平均池化就是 取每个池子的平均值作为结果。右图中经 过池化图片尺寸就缩减为原图的一半。