作者介绍：高成才，腾讯Android开发工程师，2016.4月校招加入腾讯，主要负责企鹅电竞推流SDK、企鹅电竞APP的功能开发和技术优化工作。本文发表于QQ会员技术团队的专栏
本文主要是对CS231n课程学习笔记的提炼，添加了一些Deep Learning Book和Tensorflow 实战，以及Caffe框架的知识。
一、卷积神经网络 1.1 卷积神经网络与常规神经网络 1.1.1 相同点卷积网络是一种专门用来处理具有类似网格结构的数据的神经网络。它常规神经网络非常相似：它们都是由神经元组成，神经元中有具有学习能力的权重和偏差。每个神经元都得到一些输入数据，进行内积运算后再进行激活函数运算。整个网络依旧是一个可导的评分函数：该函数的输入是原始的图像像素，输出是不同类别的评分。在最后一层（往往是全连接层），网络依旧有一个损失函数（比如SVM或Softmax），并且在神经网络中我们实现的各种技巧和要点依旧适用于卷积神经网络。
1.1.2 不同点卷积神经网络的结构基于一个假设，即输入数据是图像，基于该假设，我们就向结构中添加了一些特有的性质。这些特有属性使得前向传播函数实现起来更高效，并且大幅度降低了网络中参数的数量。常规神经网络的神经网络的输入是一个向量，然后在一系列的隐层中对它做变换。每个隐层都是由若干的神经元组成，每个神经元都与前一层中的所有神经元连接。但是在一个隐层中，神经元相互独立不进行任何连接。
常规神经网络对于大尺寸图像效果不尽人意。在CIFAR-10中，图像的尺寸是32x32x3（宽高均为32像素，3个颜色通道），因此，对应的的常规神经网络的第一个隐层中，每一个单独的全连接神经元就有32x32x3=3072个权重。这个数量看起来还可以接受，但是很显然这个全连接的结构不适用于更大尺寸的图像。举例说来，一个尺寸为200x200x3的图像，会让神经元包含200x200x3=120,000个权重值。而网络中肯定不止一个神经元，那么参数的量就会快速增加！显而易见，这种全连接方式效率低下，大量的参数也很快会导致网络过拟合。
卷积神经网络针对输入全部是图像的情况，将结构调整得更加合理，获得了不小的优势。与常规神经网络不同，卷积神经网络的各层中的神经元是3维排列的：宽度、高度和深度（这里的深度指的是激活数据体的第三个维度，而不是整个网络的深度，整个网络的深度指的是网络的层数）。我们将看到，层中的神经元将只与前一层中的一小块区域连接，而不是采取全连接方式。如下图为常规神经网络和卷积神经网络示意图：
1.2 卷积神经网络结构一个简单的卷积神经网络是由各种层按照顺序排列组成，网络中的每个层使用一个可以微分的函数将激活数据从一个层传递到另一个层。卷积神经网络主要由三种类型的层构成：卷积层，池化（Pooling）层和全连接层（全连接层和常规神经网络中的一样）。通过将这些层叠加起来，就可以构建一个完整的卷积神经网络，结构如下图所示：
1.2.1 卷积层卷积层的参数是由一些可学习的滤波器集合构成的。每个滤波器在空间上（宽度和高度）都比较小，但是深度和输入数据一致。 在前向传播的时候，让每个滤波器都在输入数据的宽度和高度上滑动（更精确地说是卷积），然后计算整个滤波器和输入数据任一处的内积。当滤波器沿着输入数据的宽度和高度滑过后，会生成一个2维的激活图（activation map），激活图给出了在每个空间位置处滤波器的反应。直观地来说，网络会让滤波器学习到当它看到某些类型的视觉特征时就激活，具体的视觉特征可能是某些方位上的边界，或者在第一层上某些颜色的斑点，甚至可以是网络更高层上的蜂巢状或者车轮状图案。在每个卷积层上，我们会有一整个集合的滤波器（比如12个），每个都会生成一个不同的二维激活图。将这些激活映射在深度方向上层叠起来就生成了输出数据，如下图左所示，32*32的图像经过多个滤波器输出数据：
(1) 局部连接
局部连接会大大减少网络的参数。在处理图像这样的高维度输入时，让每个神经元都与前一层中的所有神经元进行全连接是不现实的。相反，我们让每个神经元只与输入数据的一个局部区域连接。该连接的空间大小叫做神经元的感受野（receptive field），它的尺寸是一个超参数（其实就是滤波器的空间尺寸）。在深度方向上，这个连接的大小总是和输入量的深度相等。需要再次强调的是，我们对待空间维度（宽和高）与深度维度是不同的：连接在空间（宽高）上是局部的，但是在深度上总是和输入数据的深度一致。
(2) 空间排列