《深度学习之图像识别核心技术与案例实战》—1.2.3 感受野与池化

1.2.3  感受野与池化

　　感受野（Receptive Field）是卷积神经网络的重要概念之一，当前流行的物体识别方法的架构大都围绕感受野的设计。

　　从直观上讲，感受野就是视觉感受区域的大小。在卷积神经网络中，从数学角度看，感受野是CNN中某一层输出结果的一个元素对应输入层的一个映射，即Feature Map上的一个点所对应的输入图上的区域，具体示例如图1.8所示。

图1.8  感受野示例图

　　如果一个神经元的大小受到上层N×N的神经元区域的影响，那么就可以说该神经元的感受野是N×N，因为它反映了N×N区域的信息。在图1.8Conv2中的像素点为5，是由Conv1的2×2区域计算得来，而该2×2区域，又是由Raw Image中5×5区域计算而来，因此该像素的感受野是5×5。可以看出，感受野越大，得到的全局信息越多。

　　有了感受野再来解释池化（Pooling）也很简单，从图1.8中的Raw Image到Conv1，再到Conv2，图像越来越小，每过一级就相当于一次降采样，这就是池化。池化可以通过步长不为1的卷积实现，也可以通过Pool直接插值采样实现，本质上没有区别，只是权重不同。

　　通过卷积获得了特征之后，下一步则是用这些特征去做分类。理论上讲，人们可以把所有解析出来的特征关联到一个分类器上，例如，Softmax分类器，但计算量非常大，并且极易出现过度拟合（Over-fitting）。而池化层则可以对输入的特征图进行压缩，一方面使特征图变小，简化网络计算复杂度；另一方面进行特征压缩，提取主要特征。

　　池化作用于图像中不重合的区域（这与卷积操作不同），一般而言池化操作的每个池化窗口都是不重叠的，因此池化窗口的大小等于stride。如图1.9所示，这里的移动步长stride=2，采用一个大小为2×2的池化窗口，Max Pooling是在每一个区域中寻找最大值，最终在原特征图中提取主要特征得到图1.9的右图。

图1.9  最大池化操作示意图

　　最常见的池化操作为平均池化（Mean Pooling）和最大池化（Max Pooling）。平均池化是计算图像区域所有元素的平均值作为该区域池化后的值，最大池化则是选图像区域中元素的最大值作为该区域池化后的值。

　　在ICLR2013上，Zeiler提出了随机池化（Stochastic Pooling），只需对Feature Map中的元素按照其概率值大小随机选择，元素被选中的概率与其数值大小正相关，并非如同max pooling那样直接选取最大值。这种随机池化操作不但最大化地保证了取值的Max，也部分确保不会所有元素都被选取max值，而造成过度失真。

　　在池化操作提取信息的过程中，如果选取区域均值（Mean Pooling），往往能保留整体数据的特征，较好地突出背景信息；如果选取区域最大值（Max Pooling），则能更好地保留纹理特征。但最理想的还是小波变换，不但可以在整体上更加细微，还能够保留更多的细节特征。池化操作本质是使特征图缩小，有可能影响网络的准确度，对此我们可以通过增加特征图的深度来弥补精度的缺失。

　　本章首先从神经网络的生物学原理到感知机的提出和BP优化算法，阐述了传统神经网络的核心思想，然后对卷积神经网络的核心概念进行了详细介绍，这是全书的基础。