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本文參考機(jī)器之心，思源、劉曉坤大佬的總結(jié)

最近看到不少分享28張圖，全解深度學(xué)習(xí)知識(shí)的內(nèi)容，但是基本都說(shuō)成了22張圖，明明28張好不好！同時(shí)，配圖不少也都搞混了，對(duì)此我進(jìn)行了更正修改，并分享給大家。

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深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)

1. 深度學(xué)習(xí)基本概念

監(jiān)督學(xué)習(xí)： 所有輸入數(shù)據(jù)都有確定的對(duì)應(yīng)輸出數(shù)據(jù)，在各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)層都位于網(wǎng)絡(luò)的兩端，訓(xùn)練過(guò)程就是不斷地調(diào)整它們之間的網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)重。

左上： 列出了各種不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的監(jiān)督學(xué)習(xí)，比如標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）可用于訓(xùn)練房子特征和房?jī)r(jià)之間的函數(shù)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）可用于訓(xùn)練圖像和類(lèi)別之間的函數(shù)，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）可用于訓(xùn)練語(yǔ)音和文本之間的函數(shù)。

左下： 分別展示了 NN、CNN 和 RNN 的簡(jiǎn)化架構(gòu)。這三種架構(gòu)的前向過(guò)程各不相同，NN 使用的是權(quán)重矩陣（連接）和節(jié)點(diǎn)值相乘并陸續(xù)傳播至下一層節(jié)點(diǎn)的方式；CNN 使用矩形卷積核在圖像輸入上依次進(jìn)行卷積操作、滑動(dòng)，得到下一層輸入的方式；RNN 記憶或遺忘先前時(shí)間步的信息以為當(dāng)前計(jì)算過(guò)程提供長(zhǎng)期記憶。

右上：NN 可以處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（表格、數(shù)據(jù)庫(kù)等）和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（圖像、音頻等）。

右下： 深度學(xué)習(xí)能發(fā)展起來(lái)主要是由于大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù)；而大數(shù)據(jù)本身也反過(guò)來(lái)促進(jìn)了更大型網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)。深度學(xué)習(xí)研究的一大突破是新型激活函數(shù)的出現(xiàn)，用 ReLU 函數(shù)替換sigmoid 函數(shù)可以在反向傳播中保持快速的梯度下降過(guò)程，sigmoid 函數(shù)在正無(wú)窮處和負(fù)無(wú)窮處會(huì)出現(xiàn)趨于零的導(dǎo)數(shù)，這正是梯度消失導(dǎo)致訓(xùn)練緩慢甚至失敗的主要原因。要研究深度學(xué)習(xí)，需要學(xué)會(huì)「idea—代碼—實(shí)驗(yàn)—idea」的良性循環(huán)。

2. logistic 回歸

左上：logistic 回歸主要用于二分類(lèi)問(wèn)題，如圖中所示，logistic 回歸可以求解一張圖像是不是貓的問(wèn)題，其中圖像是輸入（x），貓（1）或非貓（0）是輸出。我們可以將 logistic 回歸看成將兩組數(shù)據(jù)點(diǎn)分離的問(wèn)題，如果僅有線(xiàn)性回歸（激活函數(shù)為線(xiàn)性），則對(duì)于非線(xiàn)性邊界的數(shù)據(jù)點(diǎn)（例如，一組數(shù)據(jù)點(diǎn)被另一組包圍）是無(wú)法有效分離的，因此在這里需要用非線(xiàn)性激活函數(shù)替換線(xiàn)性激活函數(shù)。在這個(gè)案例中，我們使用的是 sigmoid 激活函數(shù)，它是值域?yàn)椋?, 1）的平滑函數(shù)，可以使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出得到連續(xù)、歸一（概率值）的結(jié)果，例如當(dāng)輸出節(jié)點(diǎn)為（0.2, 0.8）時(shí)，判定該圖像是非貓（0）。

左下： 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練目標(biāo)是確定最合適的權(quán)重 w 和偏置項(xiàng) b，那這個(gè)過(guò)程是怎么樣的呢？

這個(gè)分類(lèi)其實(shí)就是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)化過(guò)程的目的是使預(yù)測(cè)值 y hat 和真實(shí)值 y 之間的差距最小，形式上可以通過(guò)尋找目標(biāo)函數(shù)的最小值來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以我們首先確定目標(biāo)函數(shù)（損失函數(shù)、代價(jià)函數(shù)）的形式，然后用梯度下降逐步更新 w、b，當(dāng)損失函數(shù)達(dá)到最小值或者足夠小時(shí)，我們就能獲得很好的預(yù)測(cè)結(jié)果。

右上： 損失函數(shù)值在參數(shù)曲面上變化的簡(jiǎn)圖，使用梯度可以找到最快的下降路徑，學(xué)習(xí)率的大小可以決定收斂的速度和最終結(jié)果。學(xué)習(xí)率較大時(shí)，初期收斂很快，不易停留在局部極小值，但后期難以收斂到穩(wěn)定的值；學(xué)習(xí)率較小時(shí)，情況剛好相反。一般而言，我們希望訓(xùn)練初期學(xué)習(xí)率較大，后期學(xué)習(xí)率較小，之后會(huì)介紹變化學(xué)習(xí)率的訓(xùn)練方法。

右下： 總結(jié)整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程，從輸入節(jié)點(diǎn) x 開(kāi)始，通過(guò)前向傳播得到預(yù)測(cè)輸出 y hat，用 y hat 和 y 得到損失函數(shù)值，開(kāi)始執(zhí)行反向傳播，更新 w 和 b，重復(fù)迭代該過(guò)程，直到收斂。

3. 淺層網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

左上： 淺層網(wǎng)絡(luò)即隱藏層數(shù)較少，如圖所示，這里僅有一個(gè)隱藏層。

左下： 這里介紹了不同激活函數(shù)的特點(diǎn)：

sigmoid：sigmoid 函數(shù)常用于二分分類(lèi)問(wèn)題，或者多分類(lèi)問(wèn)題的最后一層，主要是由于其歸一化特性。sigmoid 函數(shù)在兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)梯度趨于零的情況，會(huì)導(dǎo)致訓(xùn)練緩慢。
tanh：相對(duì)于 sigmoid，tanh 函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是梯度值更大，可以使訓(xùn)練速度變快。
ReLU：可以理解為閾值激活（spiking model 的特例，類(lèi)似生物神經(jīng)的工作方式），該函數(shù)很常用，基本是默認(rèn)選擇的激活函數(shù)，優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)導(dǎo)致訓(xùn)練緩慢的問(wèn)題，并且由于激活值為零的節(jié)點(diǎn)不會(huì)參與反向傳播，該函數(shù)還有稀疏化網(wǎng)絡(luò)的效果。
Leaky ReLU：避免了零激活值的結(jié)果，使得反向傳播過(guò)程始終執(zhí)行，但在實(shí)踐中很少用。

右上：為什么要使用激活函數(shù)呢？更準(zhǔn)確地說(shuō)是，為什么要使用非線(xiàn)性激活函數(shù)呢？

上圖中的實(shí)例可以看出，沒(méi)有激活函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)兩層的傳播，最終得到的結(jié)果和單層的線(xiàn)性運(yùn)算是一樣的，也就是說(shuō)，沒(méi)有使用非線(xiàn)性激活函數(shù)的話(huà)，無(wú)論多少層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都等價(jià)于單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（不包含輸入層）。

右下：如何初始化參數(shù) w、b 的值？

當(dāng)將所有參數(shù)初始化為零的時(shí)候，會(huì)使所有的節(jié)點(diǎn)變得相同，在訓(xùn)練過(guò)程中只能學(xué)到相同的特征，而無(wú)法學(xué)到多層級(jí)、多樣化的特征。解決辦法是隨機(jī)初始化所有參數(shù)，但僅需少量的方差就行，因此使用 Rand（0.01）進(jìn)行初始化，其中 0.01 也是超參數(shù)之一。

4. 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

左上： 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)化容量隨層數(shù)增加而指數(shù)式地增長(zhǎng)，即某些深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能解決的問(wèn)題，淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要相對(duì)的指數(shù)量級(jí)的計(jì)算才能解決。

左下：CNN 的深度網(wǎng)絡(luò)可以將底層的簡(jiǎn)單特征逐層組合成越來(lái)越復(fù)雜的特征，深度越大，其能分類(lèi)的圖像的復(fù)雜度和多樣性就越大。RNN 的深度網(wǎng)絡(luò)也是同樣的道理，可以將語(yǔ)音分解為音素，再逐漸組合成字母、單詞、句子，執(zhí)行復(fù)雜的語(yǔ)音到文本任務(wù)。

右邊： 深度網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和計(jì)算資源，其中涉及大量的矩陣運(yùn)算，可以在 GPU 上并行執(zhí)行，還包含了大量的超參數(shù)，例如學(xué)習(xí)率、迭代次數(shù)、隱藏層數(shù)、激活函數(shù)選擇、學(xué)習(xí)率調(diào)整方案、批尺寸大小、正則化方法等。

5. 偏差與方差

那么部署你的機(jī)器學(xué)習(xí)模型需要注意些什么？下圖展示了構(gòu)建 ML 應(yīng)用所需要的數(shù)據(jù)集分割、偏差與方差等問(wèn)題。

如上所示，經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)模型所需要的樣本數(shù)有非常大的差別，深度學(xué)習(xí)的樣本數(shù)是經(jīng)典 ML 的成千上萬(wàn)倍。因此訓(xùn)練集、開(kāi)發(fā)集和測(cè)試集的分配也有很大的區(qū)別，當(dāng)然我們假設(shè)這些不同的數(shù)據(jù)集都服從同分布。

偏差與方差問(wèn)題同樣是機(jī)器學(xué)習(xí)模型中常見(jiàn)的挑戰(zhàn)，上圖依次展示了由高偏差帶來(lái)的欠擬合和由高方差帶來(lái)的過(guò)擬合。一般而言，解決高偏差的問(wèn)題是選擇更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)或不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而解決高方差的問(wèn)題可以添加正則化、減少模型冗余或使用更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。

當(dāng)然，機(jī)器學(xué)習(xí)模型需要注意的問(wèn)題遠(yuǎn)不止這些，但在配置我們的 ML 應(yīng)用中，它們是最基礎(chǔ)和最重要的部分。其它如數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)歸一化、超參數(shù)的選擇等都在后面的信息圖中有所體現(xiàn)。

6. 正則化

正則化是解決高方差或模型過(guò)擬合的主要手段，過(guò)去數(shù)年，研究者提出和開(kāi)發(fā)了多種適合機(jī)器學(xué)習(xí)算法的正則化方法，如數(shù)據(jù)增強(qiáng)、L2 正則化（權(quán)重衰減）、L1 正則化、Dropout、Drop Connect、隨機(jī)池化和提前終止等。

如上圖左列所示，L1 和 L2 正則化也是是機(jī)器學(xué)習(xí)中使用最廣泛的正則化方法。L1 正則化向目標(biāo)函數(shù)添加正則化項(xiàng)，以減少參數(shù)的絕對(duì)值總和；而 L2 正則化中，添加正則化項(xiàng)的目的在于減少參數(shù)平方的總和。根據(jù)之前的研究，L1 正則化中的很多參數(shù)向量是稀疏向量，因?yàn)楹芏嗄Ｐ蛯?dǎo)致參數(shù)趨近于 0，因此它常用于特征選擇設(shè)置中。此外，參數(shù)范數(shù)懲罰 L2 正則化能讓深度學(xué)習(xí)算法「感知」到具有較高方差的輸入 x，因此與輸出目標(biāo)的協(xié)方差較小（相對(duì)增加方差）的特征權(quán)重將會(huì)收縮。

在中間列中，上圖展示了 Dropout 技術(shù)，即暫時(shí)丟棄一部分神經(jīng)元及其連接的方法。隨機(jī)丟棄神經(jīng)元可以防止過(guò)擬合，同時(shí)指數(shù)級(jí)、高效地連接不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。一般使用了 Dropout 技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)設(shè)定一個(gè)保留率 p，然后每一個(gè)神經(jīng)元在一個(gè)批量的訓(xùn)練中以概率 1-p 隨機(jī)選擇是否去掉。在最后進(jìn)行推斷時(shí)所有神經(jīng)元都需要保留，因而有更高的準(zhǔn)確度。

Bagging 是通過(guò)結(jié)合多個(gè)模型降低泛化誤差的技術(shù)，主要的做法是分別訓(xùn)練幾個(gè)不同的模型，然后讓所有模型表決測(cè)試樣例的輸出。而 Dropout 可以被認(rèn)為是集成了大量深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 Bagging 方法，因此它提供了一種廉價(jià)的 Bagging 集成近似方法，能夠訓(xùn)練和評(píng)估值數(shù)據(jù)數(shù)量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

最后，上圖還描述了數(shù)據(jù)增強(qiáng)與提前終止等正則化方法。數(shù)據(jù)增強(qiáng)通過(guò)向訓(xùn)練數(shù)據(jù)添加轉(zhuǎn)換或擾動(dòng)來(lái)人工增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)如水平或垂直翻轉(zhuǎn)圖像、裁剪、色彩變換、擴(kuò)展和旋轉(zhuǎn)通常應(yīng)用在視覺(jué)表象和圖像分類(lèi)中。而提前終止通常用于防止訓(xùn)練中過(guò)度表達(dá)的模型泛化性能差。如果迭代次數(shù)太少，算法容易欠擬合（方差較小，偏差較大），而迭代次數(shù)太多，算法容易過(guò)擬合（方差較大，偏差較小）。因此，提前終止通過(guò)確定迭代次數(shù)解決這個(gè)問(wèn)題。

7. 最優(yōu)化

最優(yōu)化是機(jī)器學(xué)習(xí)模型中非常非常重要的模塊，它不僅主導(dǎo)了整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程，同時(shí)還決定了最后模型性能的好壞和收斂需要的時(shí)長(zhǎng)。以下兩張信息圖都展示了最優(yōu)化方法需要關(guān)注的知識(shí)點(diǎn)，包括最優(yōu)化的預(yù)備和具體的最優(yōu)化方法。

以上展示了最優(yōu)化常常出現(xiàn)的問(wèn)題和所需要的操作。首先在執(zhí)行最優(yōu)化前，我們需要?dú)w一化輸入數(shù)據(jù)，而且開(kāi)發(fā)集與測(cè)試集歸一化的常數(shù)（均值與方差）與訓(xùn)練集是相同的。上圖也展示了歸一化的原因，因?yàn)槿绻卣髦g的量級(jí)相差太大，那么損失函數(shù)的表面就是一張狹長(zhǎng)的橢圓形，而梯度下降或最速下降法會(huì)因?yàn)椤镐忼X」現(xiàn)象而很難收斂，因此歸一化為圓形有助于減少下降方向的震蕩。

后面的梯度消失與梯度爆炸問(wèn)題也是十分常見(jiàn)的現(xiàn)象。「梯度消失」指的是隨著網(wǎng)絡(luò)深度增加，參數(shù)的梯度范數(shù)指數(shù)式減小的現(xiàn)象。梯度很小，意味著參數(shù)的變化很緩慢，從而使得學(xué)習(xí)過(guò)程停滯。梯度爆炸指神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程中大的誤差梯度不斷累積，導(dǎo)致模型權(quán)重出現(xiàn)很大的更新，在極端情況下，權(quán)重的值變得非常大以至于出現(xiàn) NaN 值。

梯度檢驗(yàn)現(xiàn)在可能用的比較少，因?yàn)槲覀冊(cè)?TensorFlow 或其它框架上執(zhí)行最優(yōu)化算法只需要調(diào)用優(yōu)化器就行。梯度檢驗(yàn)一般是使用數(shù)值的方法計(jì)算近似的導(dǎo)數(shù)并傳播，因此它能檢驗(yàn)我們基于解析式算出來(lái)的梯度是否正確。

下面就是具體的最優(yōu)化算法了，包括最基本的小批量隨機(jī)梯度下降、帶動(dòng)量的隨機(jī)梯度下降和 RMSProp 等適應(yīng)性學(xué)習(xí)率算法。

小批量隨機(jī)梯度下降（通常 SGD 指的就是這種）使用一個(gè)批量的數(shù)據(jù)更新參數(shù)，因此大大降低了一次迭代所需的計(jì)算量。這種方法降低了更新參數(shù)的方差，使得收斂過(guò)程更為穩(wěn)定；它也能利用流行深度學(xué)習(xí)框架中高度優(yōu)化的矩陣運(yùn)算器，從而高效地求出每個(gè)小批數(shù)據(jù)的梯度。通常一個(gè)小批數(shù)據(jù)含有的樣本數(shù)量在 50 至 256 之間，但對(duì)于不同的用途也會(huì)有所變化。

動(dòng)量策略旨在加速 SGD 的學(xué)習(xí)過(guò)程，特別是在具有較高曲率的情況下。一般而言，動(dòng)量算法利用先前梯度的指數(shù)衰減滑動(dòng)平均值在該方向上進(jìn)行修正，從而更好地利用歷史梯度的信息。該算法引入了變量 v 作為參數(shù)在參數(shù)空間中持續(xù)移動(dòng)的速度向量，速度一般可以設(shè)置為負(fù)梯度的指數(shù)衰減滑動(dòng)平均值。

上圖后面所述的 RMSProp 和 Adam 等適應(yīng)性學(xué)習(xí)率算法是目前我們最常用的最優(yōu)化方法。RMSProp 算法（Hinton，2012）修改 AdaGrad 以在非凸情況下表現(xiàn)更好，它改變梯度累積為指數(shù)加權(quán)的移動(dòng)平均值，從而丟棄距離較遠(yuǎn)的歷史梯度信息。RMSProp 是 Hinton 在公開(kāi)課上提出的最優(yōu)化算法，其實(shí)它可以視為 AdaDelta 的特例。但實(shí)踐證明 RMSProp 有非常好的性能，它目前在深度學(xué)習(xí)中有非常廣泛的應(yīng)用。

Adam 算法同時(shí)獲得了 AdaGrad 和 RMSProp 算法的優(yōu)點(diǎn)。Adam 不僅如 RMSProp 算法那樣基于一階矩均值計(jì)算適應(yīng)性參數(shù)學(xué)習(xí)率，它同時(shí)還充分利用了梯度的二階矩均值（即有偏方差/uncentered variance）。

8. 超參數(shù)

以下是介紹超參數(shù)的信息圖，它在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)了重要的作用，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯犹嵘Ｐ偷男阅堋?/span>

眾所周知學(xué)習(xí)率、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱藏單元數(shù)、批量大小、層級(jí)數(shù)和正則化系數(shù)等超參數(shù)可以直接影響模型的性能，而怎么調(diào)就顯得非常重要。目前最常見(jiàn)的還是手動(dòng)調(diào)參，開(kāi)發(fā)者會(huì)根據(jù)自身建模經(jīng)驗(yàn)選擇「合理」的超參數(shù)，然后再根據(jù)模型性能做一些小的調(diào)整。而自動(dòng)化調(diào)參如隨機(jī)過(guò)程或貝葉斯優(yōu)化等仍需要非常大的計(jì)算量，且效率比較低。不過(guò)近來(lái)關(guān)于使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法搜索超參數(shù)有很大的進(jìn)步，研究者都在尋找一種高效而準(zhǔn)確的方法。

目前的超參數(shù)搜索方法有：

依靠經(jīng)驗(yàn)：聆聽(tīng)自己的直覺(jué)，設(shè)置感覺(jué)上應(yīng)該對(duì)的參數(shù)然后看看它是否工作，不斷嘗試直到累趴。
網(wǎng)格搜索：讓計(jì)算機(jī)嘗試一些在一定范圍內(nèi)均勻分布的數(shù)值。
隨機(jī)搜索：讓計(jì)算機(jī)嘗試一些隨機(jī)值，看看它們是否好用。
貝葉斯優(yōu)化：使用類(lèi)似 MATLAB bayesopt 的工具自動(dòng)選取最佳參數(shù)——結(jié)果發(fā)現(xiàn)貝葉斯優(yōu)化的超參數(shù)比你自己的機(jī)器學(xué)習(xí)算法還要多，累覺(jué)不愛(ài)，回到依靠經(jīng)驗(yàn)和網(wǎng)格搜索方法上去。

因?yàn)槠邢蓿竺娴恼故緦⒅缓?jiǎn)要介紹信息圖，相信它們對(duì)各位讀者都十分有幫助。

9. 結(jié)構(gòu)化機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程

我們需要按過(guò)程或結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)定我們的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，首先需要設(shè)定模型要達(dá)到的目標(biāo)，例如它的預(yù)期性能是多少、度量方法是什么等。然后分割訓(xùn)練、開(kāi)發(fā)和測(cè)試集，并預(yù)期可能到達(dá)的優(yōu)化水平。隨后再構(gòu)建模型并訓(xùn)練，在開(kāi)發(fā)集和測(cè)試集完成驗(yàn)證后就可以用于推斷了。

10. 誤差分析

在完成訓(xùn)練后，我們可以分析誤差的來(lái)源而改進(jìn)性能，包括發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的標(biāo)注、不正確的損失函數(shù)等。

11. 訓(xùn)練集、開(kāi)發(fā)集與測(cè)試集

上圖展示了三個(gè)分割數(shù)據(jù)集及其表現(xiàn)所需要注意的地方，也就是說(shuō)如果它們間有不同的正確率，那么我們?cè)撊绾涡拚@些「差別」。例如訓(xùn)練集的正確率明顯高于驗(yàn)證集與測(cè)試集表明模型過(guò)擬合，三個(gè)數(shù)據(jù)集的正確率都明顯低于可接受水平可能是因?yàn)榍窋M合。

12. 其它學(xué)習(xí)方法

機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)當(dāng)然不止監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，還有如遷移學(xué)習(xí)、多任務(wù)學(xué)習(xí)和端到端的學(xué)習(xí)等。

卷積網(wǎng)絡(luò)

13. 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)任務(wù)涉及的數(shù)據(jù)體量是特別大的，一張圖像就有上千個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，更別提高分辨率圖像和視頻了。這時(shí)用全連接網(wǎng)絡(luò)的話(huà)，參數(shù)數(shù)量太大，因而改用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），參數(shù)數(shù)量可以極大地減小。CNN 的工作原理就像用檢測(cè)特定特征的過(guò)濾器掃描整張圖像，進(jìn)行特征提取，并逐層組合成越來(lái)越復(fù)雜的特征。這種「掃描」的工作方式使其有很好的參數(shù)共享特性，從而能檢測(cè)不同位置的相同目標(biāo)（平移對(duì)稱(chēng)）。

卷積核對(duì)應(yīng)的檢測(cè)特征可以從其參數(shù)分布簡(jiǎn)單地判斷，例如，權(quán)重從左到右變小的卷積核可以檢測(cè)到黑白豎條紋的邊界，并顯示為中間亮，兩邊暗的特征圖，具體的相對(duì)亮暗結(jié)果取決于圖像像素分布和卷積核的相對(duì)關(guān)系。卷積核權(quán)重可以直接硬編碼，但為了讓相同的架構(gòu)適應(yīng)不同的任務(wù)，通過(guò)訓(xùn)練得到卷積核權(quán)重是更好的辦法。

卷積運(yùn)算的主要參數(shù)：

padding：直接的卷積運(yùn)算會(huì)使得到的特征圖越來(lái)越小，padding 操作會(huì)在圖像周?chē)砑?0 像素值的邊緣，使卷積后得到的特征圖大小和原圖像（長(zhǎng)寬，不包括通道數(shù)）相同。

常用的兩個(gè)選項(xiàng)是：『VALID』，不執(zhí)行 padding；『SAME』，使輸出特征圖的長(zhǎng)寬和原圖像相同。

stride：兩次卷積操作之間的步長(zhǎng)大小。

一個(gè)卷積層上可以有多個(gè)卷積核，每個(gè)卷積核運(yùn)算得到的結(jié)果是一個(gè)通道，每個(gè)通道的特征圖的長(zhǎng)寬相同，可以堆疊起來(lái)構(gòu)成多通道特征圖，作為下一個(gè)卷積層的輸入。

深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)：

深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)主要以卷積層、池化層的多級(jí)堆疊，最后是全連接層執(zhí)行分類(lèi)。池化層的主要作用是減少特征圖尺寸，進(jìn)而減少參數(shù)數(shù)量，加速運(yùn)算，使其目標(biāo)檢測(cè)表現(xiàn)更加魯棒。

14. 經(jīng)典卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

LeNet·5：手寫(xiě)識(shí)別分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)，這是第一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由 Yann LeCun 提出。
AlexNet：圖像分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)，首次在 CNN 引入 ReLU 激活函數(shù)。
VGG-16：圖像分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)，深度較大。

15. 特殊卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

ResNet： 引入殘差連接，緩解梯度消失和梯度爆炸問(wèn)題，可以訓(xùn)練非常深的網(wǎng)絡(luò)。
Network in Network： 使用 1x1 卷積核，可以將卷積運(yùn)算變成類(lèi)似于全連接網(wǎng)絡(luò)的形式，還可以減少特征圖的通道數(shù)，從而減少參數(shù)數(shù)量。
Inception Network： 使用了多種尺寸卷積核的并行操作，再堆疊成多個(gè)通道，可以捕捉多種規(guī)模的特征，但缺點(diǎn)是計(jì)算量太大，可以通過(guò) 1x1 卷積減少通道數(shù)。

16. 實(shí)踐建議

使用開(kāi)源實(shí)現(xiàn)： 從零開(kāi)始實(shí)現(xiàn)時(shí)非常困難的，利用別人的實(shí)現(xiàn)可以快速探索更復(fù)雜有趣的任務(wù)。
數(shù)據(jù)增強(qiáng)： 通過(guò)對(duì)原圖像進(jìn)行鏡像、隨機(jī)裁剪、旋轉(zhuǎn)、顏色變化等操作，增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)量和多樣性。
遷移學(xué)習(xí)： 針對(duì)當(dāng)前任務(wù)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)太少時(shí)，可以將充分訓(xùn)練過(guò)的模型用少量數(shù)據(jù)微調(diào)獲得足夠好的性能。
基準(zhǔn)測(cè)試和競(jìng)賽中表現(xiàn)良好的訣竅： 使用模型集成，使用多模型輸出的平均結(jié)果；在測(cè)試階段，將圖像裁剪成多個(gè)副本分別測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果取平均。

17. 目標(biāo)檢測(cè)算法

目標(biāo)檢測(cè)即使用邊界框檢測(cè)圖像中物體的位置，F(xiàn)aster R-CNN、R-FCN 和 SSD 是三種目前最優(yōu)且應(yīng)用最廣泛的目標(biāo)檢測(cè)模型，上圖也展示了 YOLO 的基本過(guò)程。

18. 人臉識(shí)別

人臉識(shí)別有兩大類(lèi)應(yīng)用：人臉驗(yàn)證（二分分類(lèi)）和人臉識(shí)別（多人分類(lèi)）。

當(dāng)樣本量不足時(shí)，或者不斷有新樣本加入時(shí)，需要使用 one-shot learning，解決辦法是學(xué)習(xí)相似性函數(shù)，即確定兩張圖像的相似性。比如在 Siamese Network 中學(xué)習(xí)人臉識(shí)別時(shí)，就是利用兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸出，減少同一個(gè)人的兩個(gè)輸出的差別，增大不同人的兩個(gè)輸出之間的差別。

19. 風(fēng)格遷移

風(fēng)格遷移是一個(gè)熱門(mén)話(huà)題，它會(huì)在視覺(jué)上給人耳目一新的感覺(jué)。例如你有一副圖，然后將另一幅圖的風(fēng)格特征應(yīng)用到這幅圖上，比如用一位著名畫(huà)家或某一副名畫(huà)的風(fēng)格來(lái)修改你的圖像，因此我們可以獲得獨(dú)特風(fēng)格的作品。

循環(huán)網(wǎng)絡(luò)

20. 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

如上所示，命名實(shí)體識(shí)別等序列問(wèn)題在現(xiàn)實(shí)生活中占了很大的比例，而隱馬爾可夫鏈等傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法只能作出很強(qiáng)的假設(shè)而處理部分序列問(wèn)題。但近來(lái)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在這些問(wèn)題上有非常大的突破，RNN 隱藏狀態(tài)的結(jié)構(gòu)以循環(huán)形的形式成記憶，每一時(shí)刻的隱藏層的狀態(tài)取決于它的過(guò)去狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)使得 RNN 可以保存、記住和處理長(zhǎng)時(shí)期的過(guò)去復(fù)雜信號(hào)。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）能夠從序列和時(shí)序數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)特征和長(zhǎng)期依賴(lài)關(guān)系。RNN 具備非線(xiàn)性單元的堆疊，其中單元之間至少有一個(gè)連接形成有向循環(huán)。訓(xùn)練好的 RNN 可以建模任何動(dòng)態(tài)系統(tǒng)；但是，訓(xùn)練 RNN 主要受到學(xué)習(xí)長(zhǎng)期依賴(lài)性問(wèn)題的影響。

以下展示了 RNN 的應(yīng)用、問(wèn)題以及變體等：

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在語(yǔ)言建模等序列問(wèn)題上有非常強(qiáng)大的力量，但同時(shí)它也存在很?chē)?yán)重的梯度消失問(wèn)題。因此像 LSTM 和 GRU 等基于門(mén)控的 RNN 有非常大的潛力，它們使用門(mén)控機(jī)制保留或遺忘前面時(shí)間步的信息，并形成記憶以提供給當(dāng)前的計(jì)算過(guò)程。

21. NLP 中的詞表征

詞嵌入在自然語(yǔ)言處理中非常重要，因?yàn)椴徽搱?zhí)行怎樣的任務(wù)，將詞表征出來(lái)都是必須的。上圖展示了詞嵌入的方法，我們可以將詞匯庫(kù)映射到一個(gè) 200 或 300 維的向量，從而大大減少表征詞的空間。此外，這種詞表征的方法還能表示詞的語(yǔ)義，因?yàn)樵~義相近的詞在嵌入空間中距離相近。

除了以上所述的 Skip Grams，以下還展示了學(xué)習(xí)詞嵌入的常見(jiàn)方法：

GloVe 詞向量是很常見(jiàn)的詞向量學(xué)習(xí)方法，它學(xué)到的詞表征可進(jìn)一步用于語(yǔ)句分類(lèi)等任務(wù)。

22. 序列到序列

序列到序列的方法使用最多的就是編碼器解碼器框架，其它還有束搜索等模塊的介紹。

編碼器解碼器架構(gòu)加上注意力機(jī)制可以解決非常多的自然語(yǔ)言處理問(wèn)題，以下介紹了 BLEU 分值和注意力機(jī)制。它們?cè)跈C(jī)器翻譯的架構(gòu)和評(píng)估中都是不能缺少的部分。

以上是所有關(guān)于吳恩達(dá)深度學(xué)習(xí)專(zhuān)項(xiàng)課程的信息圖，由于它們包含的信息較多，我們只介紹了一部分，還有很多內(nèi)容只是簡(jiǎn)單的一筆帶過(guò)。所以各位讀者最好可以下載該信息圖，并在后面的學(xué)習(xí)過(guò)程中慢慢理解與優(yōu)化。

End

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深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)

卷積網(wǎng)絡(luò)

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