吴恩达深度学习笔记(86)-1×1 卷积讲解

网络中的网络以及 1×1 卷积(Network in Network and 1×1 convolutions)

在架构内容设计方面,其中一个比较有帮助的想法是使用1×1卷积。

也许你会好奇,1×1的卷积能做什么呢?不就是乘以数字么?听上去挺好笑的,结果并非如此,我们来具体看看。

过滤器为1×1,这里是数字2,输入一张6×6×1的图片,然后对它做卷积,起过滤器大小为1×1×1,结果相当于把这个图片乘以数字2,所以前三个单元格分别是2、4、6等等。用1×1的过滤器进行卷积,似乎用处不大,只是对输入矩阵乘以某个数字。但这仅仅是对于6×6×1的一个通道图片来说,1×1卷积效果不佳。

如果是一张6×6×32的图片,那么使用1×1过滤器进行卷积效果更好。具体来说,1×1卷积所实现的功能是遍历这36个单元格,计算左图中32个数字和过滤器中32个数字的元素积之和,然后应用ReLU非线性函数。

我们以其中一个单元为例,它是这个输入层上的某个切片,用这36个数字乘以这个输入层上1×1切片,得到一个实数,像这样把它画在输出中。

这个1×1×32过滤器中的32个数字可以这样理解,一个神经元的输入是32个数字(输入图片中左下角位置32个通道中的数字),即相同高度和宽度上某一切片上的32个数字,这32个数字具有不同通道,乘以32个权重(将过滤器中的32个数理解为权重),然后应用ReLU非线性函数,在这里输出相应的结果。

一般来说,如果过滤器不止一个,而是多个,就好像有多个输入单元,其输入内容为一个切片上所有数字,输出结果是6×6过滤器数量。

所以1×1卷积可以从根本上理解为对这32个不同的位置都应用一个全连接层,全连接层的作用是输入32个数字(过滤器数量标记为n_C^[l+1] ,在这36个单元上重复此过程),输出结果是6×6×#filters(过滤器数量),以便在输入层上实施一个非平凡(non-trivial)计算。

这种方法通常称为1×1卷积,有时也被称为Network in Network,在林敏、陈强和颜水成的论文中有详细描述。

虽然论文中关于架构的详细内容并没有得到广泛应用,但是1×1卷积或Network in Network这种理念却很有影响力,很多神经网络架构都受到它的影响,包括下节课要讲的Inception网络。

举个1×1卷积的例子,相信对大家有所帮助,这是它的一个应用。

假设这是一个28×28×192的输入层,你可以使用池化层压缩它的高度和宽度,这个过程我们很清楚。但如果通道数量很大,该如何把它压缩为28×28×32维度的层呢?你可以用32个大小为1×1的过滤器,严格来讲每个过滤器大小都是1×1×192维,因为过滤器中通道数量必须与输入层中通道的数量保持一致。但是你使用了32个过滤器,输出层为28×28×32,这就是压缩通道数(n_c)的方法,对于池化层我只是压缩了这些层的高度和宽度。

在之后我们看到在某些网络中1×1卷积是如何压缩通道数量并减少计算的。

当然如果你想保持通道数192不变,这也是可行的,1×1卷积只是添加了非线性函数,当然也可以让网络学习更复杂的函数,比如,我们再添加一层,其输入为28×28×192,输出为28×28×192。

1×1卷积层就是这样实现了一些重要功能的(doing something pretty non-trivial),它给神经网络添加了一个非线性函数,从而减少或保持输入层中的通道数量不变,当然如果你愿意,也可以增加通道数量。后面你会发现这对构建Inception网络很有帮助,我们放在下节课讲。

这节课我们演示了如何根据自己的意愿通过1×1卷积的简单操作来压缩或保持输入层中的通道数量,甚至是增加通道数量。下节课,我们再讲讲1×1卷积是如何帮助我们构建Inception网络的,下节课见

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