卷积神经网络：深度学习常用的特征提取方法

1.常用的非线性激活函数:

sigmoid、tanh、relu等等，前两者sigmoid/tanh比较常见于全链接层，后者relu常见于卷积层。这里先简要介绍下最基础的sigmoid函数。

sigmoid的函数表达式如下

其中z是一个线性组合，比如z可以等于：b+*+*。通过代入很大的正数或很小的负数到g(z)函数中可知，其结果趋近于0或1。

因此，sigmoid函数g(z)的图形表示如下（ 横轴表示定义域z，纵轴表示值域g(z) ）：

也就是说，sigmoid函数的功能是相当于把一个实数压缩至0到1之间。当z是非常大的正数时，g(z)会趋近于1，而z是非常大的负数时，则g(z)会趋近于0。

压缩至0到1有何用处呢？用处是这样一来便可以把激活函数看作一种“分类的概率”，比如激活函数的输出为0.9的话便可以解释为90%的概率为正样本。

举个例子，如下图（图引自Stanford机器学习公开课）

z = b+*+*，其中b为偏置项 假定取-30，、都取为20

如果= 0= 0，则z = -30，g(z) = 1/( 1 + e^-z)趋近于0。此外，从上图sigmoid函数的图形上也可以看出，当z=-30的时候，g(z)的值趋近于0如果= 0= 1，或=1= 0，则z =b+*+*= -30 + 20 = -10，同样，g(z)的值趋近于0如果= 1= 1，则z =b+*+*= -30 + 20*1 + 20*1 = 10，此时，g(z)趋近于1。

换言之，只有和都取1的时候，g(z)→1，判定为正样本；或取0的时候，g(z)→0，判定为负样本，如此达到分类的目的。

2.什么是卷积：

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。

3.两大机制：

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

4.cnn层级结构：

最左边是数据输入层，对数据做一些处理，比如去均值（把输入数据各个维度都中心化为0，避免数据过多偏差，影响训练效果）、归一化（把所有的数据都归一到同样的范围）、PCA/白化等等。CNN只对训练集做“去均值”这一步。

中间是

CONV：卷积计算层，线性乘积求和。RELU：激励层，上文2.2节中有提到：ReLU是激活函数的一种。POOL：池化层，简言之，即取区域平均或最大。（特征数大大减少）

最右边是

FC：全连接层