Convolution Neural Network (CNN) 原理与实现

    xiaoxiao2022-06-29  40

    本文结合Deep learning的一个应用,Convolution Neural Network 进行一些基本应用,参考Lecun的Document 0.1进行部分拓展,与结果展示(in Python)。

    分为以下几部分:

    1. Convolution(卷积)

    2. Pooling(降采样过程)

    3. CNN结构

    4.  跑实验

    下面分别介绍。

    PS:本篇blog为ese机器学习短期班参考资料(20140516课程),本文只是简要讲最naive最simple的思想,重在实践部分,原理课上详述。

    1. Convolution(卷积)

    类似于高斯卷积,对imagebatch中的所有image进行卷积。对于一张图,其所有feature map用一个filter卷成一张feature map。 如下面的代码,对一个imagebatch(含两张图)进行操作,每个图初始有3张feature map(R,G,B), 用两个9*9的filter进行卷积,结果是,每张图得到两个feature map。

    卷积操作由theano的conv.conv2d实现,这里我们用随机参数W,b。结果有点像edge detector是不是?

    Code: (详见注释)

    [python]  view plain  copy   # -*- coding: utf-8 -*-   """  Created on Sat May 10 18:55:26 2014    @author: rachel    Function: convolution option of two pictures with same size (width,height)  input: 3 feature maps (3 channels <RGB> of a picture)  convolution: two 9*9 convolutional filters  """      from theano.tensor.nnet import conv   import theano.tensor as T   import numpy, theano         rng = numpy.random.RandomState(23455)      # symbol variable   input = T.tensor4(name = 'input')      # initial weights   w_shape = (2,3,9,9#2 convolutional filters, 3 channels, filter shape: 9*9   w_bound = numpy.sqrt(3*9*9)   W = theano.shared(numpy.asarray(rng.uniform(low = -1.0/w_bound, high = 1.0/w_bound,size = w_shape),                                   dtype = input.dtype),name = 'W')      b_shape = (2,)   b = theano.shared(numpy.asarray(rng.uniform(low = -.5, high = .5, size = b_shape),                                   dtype = input.dtype),name = 'b')                                      conv_out = conv.conv2d(input,W)      #T.TensorVariable.dimshuffle() can reshape or broadcast (add dimension)   #dimshuffle(self,*pattern)   # >>>b1 = b.dimshuffle('x',0,'x','x')   # >>>b1.shape.eval()   # array([1,2,1,1])   output = T.nnet.sigmoid(conv_out + b.dimshuffle('x',0,'x','x'))   f = theano.function([input],output)                  # demo   import pylab   from PIL import Image   #minibatch_img = T.tensor4(name = 'minibatch_img')      #-------------img1---------------   img1 = Image.open(open('//home//rachel//Documents//ZJU_Projects//DL//Dataset//rachel.jpg'))   width1,height1 = img1.size   img1 = numpy.asarray(img1, dtype = 'float32')/256. # (height, width, 3)      # put image in 4D tensor of shape (1,3,height,width)   img1_rgb = img1.swapaxes(0,2).swapaxes(1,2).reshape(1,3,height1,width1) #(3,height,width)         #-------------img2---------------   img2 = Image.open(open('//home//rachel//Documents//ZJU_Projects//DL//Dataset//rachel1.jpg'))   width2,height2 = img2.size   img2 = numpy.asarray(img2,dtype = 'float32')/256.   img2_rgb = img2.swapaxes(0,2).swapaxes(1,2).reshape(1,3,height2,width2) #(3,height,width)            #minibatch_img = T.join(0,img1_rgb,img2_rgb)   minibatch_img = numpy.concatenate((img1_rgb,img2_rgb),axis = 0)   filtered_img = f(minibatch_img)         # plot original image and two convoluted results   pylab.subplot(2,3,1);pylab.axis('off');   pylab.imshow(img1)      pylab.subplot(2,3,4);pylab.axis('off');   pylab.imshow(img2)      pylab.gray()   pylab.subplot(2,3,2); pylab.axis("off")   pylab.imshow(filtered_img[0,0,:,:]) #0:minibatch_index; 0:1-st filter      pylab.subplot(2,3,3); pylab.axis("off")   pylab.imshow(filtered_img[0,1,:,:]) #0:minibatch_index; 1:1-st filter      pylab.subplot(2,3,5); pylab.axis("off")   pylab.imshow(filtered_img[1,0,:,:]) #0:minibatch_index; 0:1-st filter      pylab.subplot(2,3,6); pylab.axis("off")   pylab.imshow(filtered_img[1,1,:,:]) #0:minibatch_index; 1:1-st filter   pylab.show()  

    2. Pooling(降采样过程)

    最常用的Maxpooling. 解决了两个问题:

    1. 减少计算量

    2. 旋转不变性 (原因自己悟)

         PS:对于旋转不变性,回忆下SIFT,LBP:采用主方向;HOG:选择不同方向的模版

    Maxpooling的降采样过程会将feature map的长宽各减半。(下面结果图中没有体现出来,python自动给拉到一样大了,但实际上像素数是减半的)

    Code: (详见注释)

    [python]  view plain  copy   # -*- coding: utf-8 -*-   """  Created on Sat May 10 18:55:26 2014    @author: rachel    Function: convolution option   input: 3 feature maps (3 channels <RGB> of a picture)  convolution: two 9*9 convolutional filters  """      from theano.tensor.nnet import conv   import theano.tensor as T   import numpy, theano         rng = numpy.random.RandomState(23455)      # symbol variable   input = T.tensor4(name = 'input')      # initial weights   w_shape = (2,3,9,9#2 convolutional filters, 3 channels, filter shape: 9*9   w_bound = numpy.sqrt(3*9*9)   W = theano.shared(numpy.asarray(rng.uniform(low = -1.0/w_bound, high = 1.0/w_bound,size = w_shape),                                   dtype = input.dtype),name = 'W')      b_shape = (2,)   b = theano.shared(numpy.asarray(rng.uniform(low = -.5, high = .5, size = b_shape),                                   dtype = input.dtype),name = 'b')                                      conv_out = conv.conv2d(input,W)      #T.TensorVariable.dimshuffle() can reshape or broadcast (add dimension)   #dimshuffle(self,*pattern)   # >>>b1 = b.dimshuffle('x',0,'x','x')   # >>>b1.shape.eval()   # array([1,2,1,1])   output = T.nnet.sigmoid(conv_out + b.dimshuffle('x',0,'x','x'))   f = theano.function([input],output)                  # demo   import pylab   from PIL import Image   from matplotlib.pyplot import *      #open random image   img = Image.open(open('//home//rachel//Documents//ZJU_Projects//DL//Dataset//rachel.jpg'))   width,height = img.size   img = numpy.asarray(img, dtype = 'float32')/256. # (height, width, 3)         # put image in 4D tensor of shape (1,3,height,width)   img_rgb = img.swapaxes(0,2).swapaxes(1,2#(3,height,width)   minibatch_img = img_rgb.reshape(1,3,height,width)   filtered_img = f(minibatch_img)         # plot original image and two convoluted results   pylab.figure(1)   pylab.subplot(1,3,1);pylab.axis('off');   pylab.imshow(img)   title('origin image')      pylab.gray()   pylab.subplot(2,3,2); pylab.axis("off")   pylab.imshow(filtered_img[0,0,:,:]) #0:minibatch_index; 0:1-st filter   title('convolution 1')      pylab.subplot(2,3,3); pylab.axis("off")   pylab.imshow(filtered_img[0,1,:,:]) #0:minibatch_index; 1:1-st filter   title('convolution 2')      #pylab.show()               # maxpooling   from theano.tensor.signal import downsample      input = T.tensor4('input')   maxpool_shape = (2,2)   pooled_img = downsample.max_pool_2d(input,maxpool_shape,ignore_border = False)      maxpool = theano.function(inputs = [input],                             outputs = [pooled_img])      pooled_res = numpy.squeeze(maxpool(filtered_img))                 #pylab.figure(2)   pylab.subplot(235);pylab.axis('off');   pylab.imshow(pooled_res[0,:,:])   title('down sampled 1')      pylab.subplot(236);pylab.axis('off');   pylab.imshow(pooled_res[1,:,:])   title('down sampled 2')      pylab.show()  

    3. CNN结构

    想必大家随便google下CNN的图都滥大街了,这里拖出来那时候学CNN的时候一张图,自认为陪上讲解的话画得还易懂(<!--囧-->)

    废话不多说了,直接上Lenet结构图:(从下往上顺着箭头看,最下面为底层original input)

    4. CNN代码

    去资源里下载吧,我放上去了喔~(in python) 这里贴少部分代码,仅表示建模的NN: [python]  view plain  copy   rng = numpy.random.RandomState(23455)          # transfrom x from (batchsize, 28*28) to (batchsize,feature,28,28))       # I_shape = (28,28),F_shape = (5,5),       N_filters_0 = 20       D_features_0= 1       layer0_input = x.reshape((batch_size,D_features_0,28,28))       layer0 = LeNetConvPoolLayer(rng, input = layer0_input, filter_shape = (N_filters_0,D_features_0,5,5),                                   image_shape = (batch_size,1,28,28))       #layer0.output: (batch_size, N_filters_0, (28-5+1)/2, (28-5+1)/2) -> 20*20*12*12              N_filters_1 = 50       D_features_1 = N_filters_0       layer1 = LeNetConvPoolLayer(rng,input = layer0.output, filter_shape = (N_filters_1,D_features_1,5,5),                                   image_shape = (batch_size,N_filters_0,12,12))       # layer1.output: (20,50,4,4)              layer2_input = layer1.output.flatten(2# (20,50,4,4)->(20,(50*4*4))       layer2 = HiddenLayer(rng,layer2_input,n_in = 50*4*4,n_out = 500, activation = T.tanh)              layer3 = LogisticRegression(input = layer2.output, n_in = 500, n_out = 10)   layer0, layer1 :分别是卷积+降采样 layer2+layer3:组成一个MLP(ANN) 训练模型: [python]  view plain  copy   cost = layer3.negative_log_likelihood(y)   params = layer3.params + layer2.params + layer1.params + layer0.params   gparams = T.grad(cost,params)      updates = []   for par,gpar in zip(params,gparams):       updates.append((par, par - learning_rate * gpar))      train_model = theano.function(inputs = [minibatch_index],                                 outputs = [cost],                                 updates = updates,                                 givens = {x: train_set_x[minibatch_index * batch_size : (minibatch_index+1) * batch_size],                                           y: train_set_y[minibatch_index * batch_size : (minibatch_index+1) * batch_size]})   根据cost(最上层MLP的输出NLL),对所有层的parameters进行训练 剩下的具体见代码和注释。 PS:数据为MNIST所有数据 final result: Optimization complete. Best validation score of 0.990000 % obtained at iteration 122500, with test performance 0.950000 %

    准备做点实验,这里介绍一下需要用到的数据集。

    下载

    mnist.pkl.gz  or  git clone git://github.com/lisa-lab/DeepLearningTutorials.git

    MNISTS数据集由手写数字图像组成。划分60,000样例作为训练数据集10,000样例作为测试集。在许多文章同时也在这个tutorial里面将60,000实际划分成50,000个测试集和10,000个验证集。所有的数字图像都长度正则化并且居中到28x28的像素里。在原始的数据集里每一个像素表示的值在0~255之间,0代表black,255代表white,以及在这之间的任何的不同灰度. 

    数据集标识

    转载请注明原文地址: https://ju.6miu.com/read-1124861.html

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