相信和作者一样爱技术对AI兴趣浓厚的小伙伴们，一定对卷积神经网络并不陌生， 也一定曾经对如此“高级”的名字困惑良久。作者今天将从零开始走进卷积神经网络的世界~与大家分享！
在深入了解卷积神经网络之前，我们先看看图像的原理。
图像在计算机中是通过数字(0-255)来表示的，每个数字代表图像中一个像素的亮度或颜色信息。其中：
「这里“8位的二进制数”怎么理解呢？」
在RGB颜色模型中，每个颜色通道（红、绿、蓝）可以有256个不同的亮度级别，每个通道表示8位二进制表示，8位二进制数的最大值是11111111，转化成十进制就是255；最小值是00000000，转化成十进制就是0。
CNN报道了一种在CV中家喻户晓的一种应用场景。以原始图片尺寸为10x10为例，如下图所示，其左半部分是像素值较大，是明亮区域；右半部分是像素值较小，为深度区域。中间的分界线即是要检测的边缘。
「那么怎么检测边缘呢？」 此时滤波器filter（也叫kernel）出场了，如下图所示，kernel尺寸为3x3。
滤波器filter滑过输入图片，在每个区域处稍做停留，对应元素相乘再相加计算，之后再向其它区域滑动继续计算，直到滑动至原图片的最后一个区域为止。这个过程即为「卷积。」
由上图可以看出，输出结果的中间颜色浅，两边颜色深，说明原图的边界已反应出来。「因此可以总结出，边缘检测就是通过输入图片与相应滤波器进行卷积运算得以识别。」
另外，这里的滑动还涉及到一个基本概念，「步长stride」，上述示例中，是以stride为1说明，每次滑动一格，共停留了8x8个区域，所以最终输出结果是8x8矩阵。
「那么，究竟什么是卷积神经网络呢？」
经过上面边缘检测这一具体的目标检测场景的分析，我们也就不难理解，CNN(Convolutional neural network)就是通过各种各样的滤波器filter不断提取图片特征，从局部到整体，进而识别目标。
而在神经网络中，这些filter中的每个数字，就是参数，可通过大量数据训练得到(即深度学习的过程)。
(1) 卷积计算
卷积是数学分析中的一种积分变换的方法，而在图像处理中则采用的是卷积的离散形式。在卷积神经网络CNN中，卷积层的实现方式本质即为数学中定义的互相关计算(cross-correlation)。具体计算过程如下图所示。
其中：
图(a)：左边的图大小是3×3，表示输入数据是一个维度为3×3的二维数组；中间的图大小是2×2，表示一个维度为 2×2的二维数组，也即为「卷积核」。卷积核的左上角与输入数据的左上角(0,0)对齐，并依次将二者对应位置数据相乘，再相加，即可获得卷积输出的第一个结果25。
依次类推，图(b)、(c)、(d)分别为卷积输出的第二、三、四个输出结果。
(2) 图片卷积运算
那么图片卷积运算，具体是怎么回事呢？如下图所示即为彩色图像卷积过程。
对于彩色图像的通道1（Red）、通道2（Green）、通道3（Blue），分别使用Kernel1、Kernel2、Kernel3。每个卷积核在对应的单色图像上滑动，对每个位置上的小块区域（Kernel大小）内的像素值与卷积核的相应元素进行逐点乘法运算，然后将这些乘积相加得到一个值。再将每个通道得到的数值相加，并加上总体的偏置Bias，即可得到对应特征图（feature map）中的一个值。
立体效果如下图所示：
如上所述边缘检测的例子中，可以看到，原图片尺寸是10x10，经过filter之后是8x8。如果再做一次卷积运算就是6x6...这样的话会有两个缺点：
如下图中左上角红色阴影只被一个输出触碰到，而中间的像素点(紫色方框标记)会有许多3x3的区域与之重叠。所以，角落或边缘区域的像素点在输出中采用较少，容易丢掉图像边缘位置的许多信息。
为了解决这一问题，我们通常采用Padding的方法，在卷积操作之前，先给原图片边缘填充一层像素， 例如，将10x10的图像即可填充为12x12的大小，卷积之后的图片尺寸为8x8，和原始图片一样大，这样便使得原图的边缘区域像素点也可以多次被采用。
选择填充多少像素，通常有两种选择：
stride的概念在引言中有提到过，表示过滤器filter在原图片中水平方向和竖直方向每次滑动的长度，也叫步进长度。
假设s表示stride长度，p表示padding长度，原图片尺寸是nxn，过滤器filter尺寸是fxf，则卷积后的图片尺寸为：
池化的本质就是降维。
卷积网络中池化层的作用：降低特征图的参数量、提升计算速度、增加感受野，也即为一种降采样操作。
物体检测中常用的池化：最大值池化（Max Pooling）与平均值池化（Average Pooling）。
(1) Max pooling
即在滤波器filter滑动区域内取最大值，而无需卷积运算。数字大意味着可能探测到了某些特定的特征，忽略了其它值，降低了噪声影响，提高了模型健壮性。「并且，Max pooling需要的超参数仅为滤波器尺寸f和stride长度s，无需要训练其它参数，计算量较小。」
(2) Average pooling
即在滤波器filter滑动区域内求平均值。
在处理多维数据，尤其是图像数据时，Tensorflow和Pytorch数据Shape有所区分。
其中：
如上图所示：
out_height = (height - kernel_height + 1) / strideout_width = (width - kernel_width + 1) / stride
对于8x8的图像和3x3的卷积核，输出尺寸将是 (8 - 3 + 1) / 1 = 6，因此输出形状是 [6, 6, 5]，表示一个6x6的特征图，有5个输出通道。
卷积核的输入通道数（in_channels）由输入图像的通道数决定，比如：一个RGB格式的图片，其输入通道数为3。
而输出矩阵的通道数（out_channels）是由卷积核的输出通道数所决定，即卷积核有多少个不同的滤波器（filter）。在这个例子中，卷积核有5个滤波器，所以输出有5个通道。
并不是所有的映射关系都可以用线性关系准确表达。因此需要激活函数表示非线性映射。
激活函数也就是非线性映射。神经网络如果仅仅是由线性运算堆叠，是无法形成复杂的表达空间的，也就很难提取高语义信息，因此需要加入非线性映射关系。
(1) Sigmoid函数
Sigmoid函数将特征压缩到了（0,1）区间，0端是抑制状态，1端是激活状态，中间部分梯度最大。
(2) Relu函数
修正线性单元（Rectified Linear Unit, ReLU）。通常用于缓解梯度消失现象。
在小于0的部分，值与梯度为0，大于0导数为1，避免了Sigmoid函数中梯度接近于0导致的梯度消失问题。
(3) Softmax函数
多物体类别较为常用的分类器是Softmax函数。
在具体的分类任务中，Softmax函数的输入往往是多个类别的得分，输出则是每一个类别对应的概率，所有类别的概率取值都在0~1之间，且和为1。
Softmax函数公式如下：
其中，Vi表示第i个类别的得分，C代表分类的类别总数，输出Si为第i个类别的概率。
卷积神经网络CNN由输入层、卷积层、Relu、池化层和全连接层、输出层组成。
如下图所示是一个卷积网络示例，卷积层是卷积网络的第一层，其后跟着其它卷积层或池化层，最后一层是全连接层。越往后的层识别图像越大的部分，较早的层通常专注于简单的特征(例如颜色和边缘等)。随着图像数据在CNN中各层中前进，它开始识别物体的较大元素或形状，直到最终识别出预期的物体。
其中：
与传统神经网络相比CNN具有局部连接、权值共享等优点，使其学习的参数量大幅降低，且网络的收敛速度也更快。
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