YOLOv5基础知识点——卷积神经网络-Toy模板网

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一文看懂卷积神经网络-CNN（基本原理+独特价值+实际应用）- 产品经理的人工智能学习库 (easyai.tech)

人类的视觉原理如下：从原始信号摄入开始（瞳孔摄入像素 Pixels），接着做初步处理（大脑皮层某些细胞发现边缘和方向），然后抽象（大脑判定，眼前的物体的形状，是圆形的），然后进一步抽象（大脑进一步判定该物体是只气球）。下面是人脑进行人脸识别的一个示例：

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

深度学习算法（包括CNN）的灵感来源：模仿人类大脑的这个特点，构造多层的神经网络，较低层的识别初级的图像特征，若干底层特征组成更上一层特征，最终通过多个层级的组合，最终在顶层做出分类

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

卷积层负责提取图像中的局部特征；池化层用来大幅降低参数量级(降维)；全连接层类似传统神经网络的部分，用来输出想要的结果。

卷积——提取特征

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

这个过程我们可以理解为我们使用一个过滤器（卷积核）来过滤图像的各个小区域，从而得到这些小区域的特征值。

在具体应用中，往往有多个卷积核，可以认为，每个卷积核代表了一种图像模式，如果某个图像块与此卷积核卷积出的值大，则认为此图像块十分接近于此卷积核。

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

CNN中feature map、卷积核、卷积核个数、filter、channel的概念解释，以及CNN 学习过程中卷积核更新的理解_xys430381_1的博客-CSDN博客_卷积核个数

卷积核

卷积核也称为过滤器（filter），具有长宽深三个维度，长宽是人为指定，深度与当前图像的深度相同。

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

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漫画：卷积神经网络中的卷积核到底是什么？ - 知乎 (zhihu.com)

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

对于不能识别的特征，计算值非常小：

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

综上，提取图片特征的关键，是设计合理的卷积核，做完卷积后，再经过池化，就可以得到相应的值。

为什么要卷积？

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

用输出图像中更亮的像素表示原始图像中存在的边缘。通常，卷积有助于我们找到特定的局部图像特征（如边缘），用在后面的网络中。

总结：卷积层的通过卷积核的过滤提取出图片中局部的特征，跟上面提到的人类视觉的特征提取类似。

池化层（下采样）——数据降维，避免过拟合

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

上图就是一个池化的示意图，用了一个10*10的卷积核，对20*20的图像分块不重叠的进行了池化，池化之后featuremap为2*2的大小。

(34 封私信 / 80 条消息) 池化是什么意思？ - 知乎 (zhihu.com)

池化也称下采样层，会压缩输入的特征图，一方面减少特征，导致参数减少，进而简化了卷积网络计算时的复杂度；另一方面保持了特征的某种不变性（旋转、平移、伸缩等）。

池化操作组要分为两种：平均池化、最大池化

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

为什么要池化？

图像中的相邻像素倾向于具有相似的值，因此通常卷积层相邻的输出像素也具有相似的值。这意味着，卷积层输出中包含的大部分信息都是冗余的。如果我们使用边缘检测滤波器并在某个位置找到强边缘，那么我们也可能会在距离这个像素1个偏移的位置找到相对较强的边缘。但是它们都一样是边缘，我们并没有找到任何新东西。池化层解决了这个问题。这个网络层所做的就是通过减小输入的大小降低输出值的数量。

池化（下采样）是什么？图像池化与卷积的区别_Dontla的博客-CSDN博客_池化下采样

总结：池化层相比卷积层可以更有效的降低数据维度，这么做不但可以大大减少运算量，还可以有效的避免过拟合。

全连接层——输出结果

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

经过卷积层和池化层降维过的数据，全连接层才能”跑得动”，不然数据量太大，计算成本高，效率低下。

典型的 CNN 并非只是上面提到的3层结构，而是多层结构。

如卷积层 – 池化层- 卷积层 – 池化层 – 卷积层 – 全连接层......

YOLOv5基础知识点——卷积神经网络

全连接层详解_pogg_的博客-CSDN博客_全连接层

全连接层（fully connected layers，FC）在整个卷积神经网络中起到“分类器”的作用。如果说卷积层、池化层和激活函数等操作是将原始数据映射到隐层特征空间的话，全连接层则起到将学到的“分布式特征表示”（下面会讲到这个分布式特征）映射到样本标记空间的作用。在实际使用中，全连接层可由卷积操作实现：

对前层是全连接的全连接层可以转化为卷积核为1x1的卷积；而前层是卷积层的全连接层可以转化为卷积核为hw的全局卷积，hw分别为前层卷积结果的高和宽。

全连接的核心操作就是矩阵向量乘积 y = Wx

深入理解卷积层，全连接层的作用意义_向阳+的博客-CSDN博客_卷积池化全连接的作用
卷积取的是局部特征，全连接就是把以前的局部特征重新通过权值矩阵组装成完整的图。

例如经过卷积，relu后得到3x3x5的输出。

那它是怎么样把3x3x5的输出，转换成1x4096的形式？

很简单,可以理解为在中间做了一个卷积。

从上图我们可以看出，我们用一个3x3x5的filter 去卷积激活函数的输出，得到的结果就是一个fully connected layer 的一个神经元的输出，这个输出就是一个值。因为我们有4096个神经元。我们实际就是用一个3x3x5x4096的卷积层去卷积激活函数的输出。

这样做,有一个什么好处就是大大减少特征位置对分类带来的影响。

从上图我们可以看出，猫在不同的位置，输出的feature值相同，但是位置不同。

对于电脑来说，特征值相同，但是特征值位置不同，那分类结果也可能不一样。

这时全连接层filter的作用就相当于喵在哪我不管，我只要喵，于是我让filter去把这个喵找到，实际就是把feature map 整合成一个值，这个值大，有喵，这个值小，那就可能没喵和这个喵在哪关系不大了，鲁棒性有大大增强。

全连接层参数特多（可占整个网络参数80%左右）