图解CNN(卷积神经网络)的实现过程，5分钟理解

前言文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

在图像处理领域，CNN(卷积神经网络)处于绝对统治地位，已经有无数的文章对其工作原理进行介绍，我不认为我能再写出一篇特别不一样的原理介绍文章，但对于CNN具体是如何用神经网络实现的，能找到的介绍要么是一大堆数学公式，要么是大段晦涩的文字说明，读起来很是辛苦，最近看到一篇文章，没有一行数学推导，仅仅用几张图就把CNN的神经网络实现说得非常清楚透彻，英文原文在这里  (https://medium.com/impactai/cnns-from-different-viewpoints-fab7f52d159c)，好东西要多多分享，所以我也把这篇文章在这里翻译成中文给大家，喜欢原汁原味的同学也可以直接阅读原文。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

CNN主要思路快速回顾文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

为了便于大家理解，这里简单回顾一下CNN的主要思路：对于一张M * N像素的图，我们用一个大小为 S * S(如3 * 3)的特征提取器，扫描整个图片，强化图片的重要特征，忽略不重要的细节，得到一个强化了特征的新图：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

不断递归上述过程，就可以逐渐从细节特征(如线条、纹理)中提取出高级特征(如器官、物种)，最终完成各种图像处理任务。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

图解CNN的神经网络实现过程文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

以下就是前言部分提到的文章翻译：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

假设我们有一张3 * 3的图，图中每个像素用一个字母表示：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

我们的特征提取器为一个2 * 2的矩阵，矩阵每个元素是一个希腊字母：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

用特征提取器处理后的图片为：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

其详细工作过程如下：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

上述工作过程可以表达为以下等式：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

注意上述等式中的bias参数b在4个等式中都是一样的，可以把b理解为特征提取器的一部分，就像权重参数(α, β, γ, δ)是特征提取器的一部分一样。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

上述等式更紧凑的写法为：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

上述写法可以直接表示为一个神经网络(连接线对应权重α, β, γ, δ)：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

神经元的激活过程就是权重矩阵和输入矩阵的乘积：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

这里有两个要注意的点：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

• 灰色格子的0，代表不可训练的参数，它们在整个训练过程中始终为0
• 剩下可训练的参数中，很多参数取值是保持相同的，这叫做"共享权重"

权重矩阵的每一行，代表了在图片上对特征过滤器的一次应用，其中的0表示这次应用不会覆盖的像素。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

假设我们把取值为0的权重也补充到上面的神经网络图中(用灰色的线表示0权重)，就可以得到一个经典的、全连接的神经网络图：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

去掉颜色和字母，就和熟悉的神经网络示意图一模一样了：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

上面，我们用一个2 * 2的特征提取器把一个3 * 3的图变成了一个2 * 2的图，通过zero-padding和一个3 * 3的特征提取器，我们就可以保持图片大小不变：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

其工作过程如下：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

而如果不应用zero-padding，则我们只能得到一个1 * 1的结果图：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html

以上，就是CNN落地实现为神经网络的过程。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ai/53886.html