优达学城深度学习之七——TensorFlow卷积神经网络

一、胶囊网络

池化运算会丢失一些图像信息。这是因为为了获得更小的特征级图像表示，池化会丢弃像素信息。与池化层相比，有一些分类方法不会丢弃空间信息，而是学习各个部分之间的关系（例如眼睛、鼻子和嘴之间的空间关系）。

学习各部分之间的空间关系的一种方法就叫胶囊网络。

胶囊网络能够从图像中检测出对象的各个部分，并表示这些部分之间的空间关系。如果对象（例如人脸）具有不同的形态和典型数量的特征（眼睛、鼻子、嘴），胶囊网络便能够识别同一对象，即使没有在训练数据里见过这些形态。

胶囊网络由父节点和子节点组成，这些节点构成了对象的完整样貌。

在上述示例中，模型能够识别叶节点中的人脸部分（眼睛、鼻子、嘴等），然后在父节点中形成更完整的人脸部分。

什么是胶囊

胶囊实际上是节点集合，每个节点都包含关于特定部分的信息，例如宽度、方向、颜色等特性。注意，每个胶囊都输出一个向量，该向量由大小和方向组成。

大小 (m) = 某个部分存在的概率；值在 0 到 1 之间。

方向 (theta) = 某个部分的状态。

我们可以对这些输出向量执行数学运算并构建一个解析树，最终识别出由多个小部分组成的完整对象。

大小是一个特殊的属性，即使对象朝着不同的方向，大小也应该很大，如下图所示。

增加深度

pytorch层级

卷积层，通常我们在PyTorch 中使用 nn.Conv2d 定义卷积层，并指定以下参数：

nn.conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0)

in_channels 是指输入深度。对于灰阶图像来说，深度 = 1

out_channels 是指输出深度，或你希望获得的过滤图像数量

kernel_size 是卷积核的大小（通常为 3，表示 3x3 核）

stride 和 padding 具有默认值，但是应该根据你希望输出在空间维度 x, y 里具有的大小设置它们的值

pytorch中的卷积层

要在 PyTorch 中创建卷积层，必须首先导入必要的模块：

import torch.nn as nn

然后定义卷积层和模型的前馈行为（输入如何经过网络层级）。首先必须定义一个 Model 类并填写两个函数。

你可以通过以下格式在 __init__ 函数里定义卷积层：

self.conv1=nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0))

forward

然后在 forward 函数里引用该层级！在此例中，我传入了输入图像 x，并向此层的输出应用了 ReLU 函数。

x=F.relu(self.conv1(x))

参数

必须传递以下参数：

in_channels - 输入数量（深度），例如 RGB 图像是 3。

out_channels - 输出通道的数量，即卷积层包含的过滤“图像”数量，或者将应用到输入上的唯一卷积核数量。

kernel_size - 表示（方形）卷积核的高度和宽度。

你还可以调整其他可选参数：

stride - 卷积步长。如果不指定任何值，stride 将设为 1。

padding - 输入数组周围的 0 边。如果不指定任何值，padding 将设为 0。

注意：可以将 kernel_size 和 stride 表示为数字或元组。

你还可以设置很多其他可调参数，从而更改卷积层的行为。要了解详情，请参阅此官方文档。

池化层

池化层的参数是核大小和步长。通常和下采样因子的值一样。例如，以下代码将使输入的 x-y 维度下采样到一半大小：

self.pool=nn.MaxPool2d(2,2)

以下代码将池化层应用到了 forward 函数。

x=F.relu(self.conv1(x))

x=self.pool(x)

卷积示例 1

假设我要构建一个 CNN，输入层接受的是 200 x 200 像素（对应于高 200、宽 200、深 1 的三维数组）的灰阶图像。然后，假设下一层是一个卷积层，包含 16 个过滤器，每个过滤器的宽和高都是 2。在进行卷积运算时，我希望过滤器一次跳过 2 个像素。但是我不希望过滤器越过图像边界；换句话说，我不想用 0 填充图像。要构建此卷积层，我会使用以下代码：

self.conv1=nn.Conv2d(1,16,2,stride=2)

序列模型

我们还可以在 __init__ 函数里使用 Sequential 封装容器，这样就能在 PyTorch 中创建 CNN 模型。序列模型使我们能够堆叠不同的层级，并在层级之间指定激活函数。

def __init__(self):

super(ModelName, self).__init__()

self.features = nn.Sequential(

nn.Conv2d(1, 16, 2, stride=2),

nn.MaxPool2d(2, 2),

nn.ReLU(True),

nn.Conv2d(16, 32, 3, padding=1),

nn.MaxPool2d(2, 2),

nn.ReLU(True)

TensorFlow 神经网络

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