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# System prepended metadata

title: Machine Learning
tags: [CNN, 賴, Maching Learning]

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# Machine Learning
###### tags: `賴` `CNN` `Maching Learning`



![](https://i.imgur.com/ovMPEsk.png)

- Machine Learning 演算法(Algorithms) 不只有 **Neural Network**，還包括 **K-Means**、**Support Vector Machines(SVM)**、**Decision Tree**等等，基本上，都是希望透過資料**分類(Classification)或分群(Clustering) 的方式，轉換為規則或知識，一般進行的步驟如下：

1. **訓練**：首先將已知的歷史資料，依資料特徵(譬如性別、年齡)，將樣本作分類(譬如男人、女人、小孩)，這就是所謂的訓練(Training)。
2. **建立模型(Model)**：訓練之後，我們就會得到一個模型(簡略的講，就是公式)，推算未知的資料是哪一類，例如性別是男，年齡大於18歲，模型就推斷他是男人；反之，年齡小於18歲，不論性別，模型就推斷他是小孩。
3. **評估(Evaluation)**：隨機抓一部分的已知資料，測試模型的準確率(或其他評估指標，如 precision and recall)，確定模型是堪用的，這就是『驗證』(Validation)，有了評估指標，我們就可以跟老闆或客戶，拍胸脯、打包票，不準就切腹自盡(千萬不要喔)。
4. **預測(Prediction)**：有了以上模型後，一個未知的人進來後，我們就可以依據性別及年齡推斷，他/她是男人、女人或小孩? 但是，注意! Machine Learning 不是以程式撰寫明確的規則(If ... Then ...Else)，而是『以已知的資料推斷未知的資料』，只要，不斷餵資料，機器就慢慢的變聰明了。

## 神經網路(Neural Network)

![](https://i.imgur.com/V3y1fTi.png)

- 主要是模仿生物的神經系統，透過層層連接的『神經元』(Neuron)，建立傳導的模型，以推論輸入(Input)到輸出(Output)的過程。
- Input Layer 就是接收信號的神經元，Hidden Layer 就是隱藏層，而 Output Layer 就是做出反應的輸出層。而各神經元傳導的力量大小，稱為權重(Weight, 以W表示)，也就是模型要求解的參數。如果求算出來，我們就得到一道公式，只要輸入信號，經過層層傳導，就可以推斷出結果了。
    - ![](https://i.imgur.com/BcxYHRh.png)
    - Hidden Layer及Output Layer上每一個節點(圓圈)的值等於上一層所有節點的加權總和
- 統計學的簡單迴歸(Regression)，迴歸要計算權重值(W)，我們可以用『最小平方法』(Least Square)，最小化『預測值與實際值的差距之平均值』(如下圖右)，或者使用『線性規劃』(Linear Programming) 最小化目標函數，也可以求得W。

| ![](https://i.imgur.com/R8IMMFd.png) | ![](https://i.imgur.com/4pHzLCm.png) | 
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| 簡單迴歸(Regression) | 預測值與實際值的差距之平均值| 


- https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10191528
- 所以，一個模型的好壞取決於我們採用何種『損失函數』、『成效衡量指標』(Metrics)、Activation Function、優化器(optimizer)、隱藏層數(Layers或Dense)、kernel_initializer以及它們使用的參數
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- https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10191725

## CNN卷積神經網路
- 取周遭 N x N 格的點構成一個面(N 稱為 Kernel Size，N x N 的矩陣權重稱為『卷積核』)，每一格給予不同的權重，計算加權總和，當作這一點的 output，再移動至下一點以相同方式處理，至圖像的最後一點為止
- [How do Convolutional Neural Networks work?](https://brohrer.mcknote.com/zh-Hant/how_machine_learning_works/how_convolutional_neural_networks_work.html)


## CNN運算流程
- https://chih-sheng-huang821.medium.com/%E5%8D%B7%E7%A9%8D%E7%A5%9E%E7%B6%93%E7%B6%B2%E8%B7%AF-convolutional-neural-network-cnn-cnn%E9%81%8B%E7%AE%97%E6%B5%81%E7%A8%8B-ecaec240a631
### 卷積 - 提取圖片中的特徵(feature)
- ![](https://i.imgur.com/sT31OjT.png)
- 先透過濾鏡(filter)來提取圖片特徵(feature)，轉換影像，例如取影像中的邊緣、銳利化、模糊化等等，透過不同的 filter 來盡可能取得影像特徵，然後再將這些特徵作為後面 Neuron 的輸入
- 一般在影像上，捲積運算後會再加上激活函數(activation function)，進行非線性轉換，之後得到的圖片會稱為特徵圖(feature map)。
Feature map{i} = original Data * Kernel Map{i} (*為卷積運算)
####  [激勵函數 activation function](https://cvfiasd.pixnet.net/blog/post/275774124-%E6%B7%B1%E5%BA%A6%E5%AD%B8%E7%BF%92%E6%BF%80%E5%8B%B5%E5%87%BD%E6%95%B8%E4%BB%8B%E7%B4%B9)
- 利用非線性方程式，解決非線性問題。
- 若不使用激勵函數，類神經網路即是以線性的方式組合運算，因為隱藏層以及輸出層皆是將上層之結果輸入，並以線性組合計算，作為這一層的輸出，使得輸出與輸入只存在著線性關係
- 現實中，所有問題皆屬於非線性問題，因此，若無使用非線性之激勵函數，則類神經網路訓練出之模型便失去意義。
- 分類
    - softmax：值介於 [0,1] 之間，且機率總和等於 1，適合多分類使用。
    ![](https://i.imgur.com/Azje757.png)
    - sigmoid：值介於 [0,1] 之間，且分布兩極化，大部分不是 0，就是 1，適合二分法。
    ![](https://i.imgur.com/Fl1fdFV.png)
    ![](https://i.imgur.com/iFYfjxh.png)
    - Relu (Rectified Linear Units)：忽略負值，介於 [0,∞] 之間。
        - 使用Relu函數去掉負值，更能淬煉出物體的形狀
    ![](https://i.imgur.com/9hYbNqW.png)
    - tanh：與sigmoid類似，但值介於[-1,1]之間，即傳導有負值。
    ![](https://i.imgur.com/6PM4nI8.png)
    ![](https://i.imgur.com/RR7mFdd.png)
    
##### [卷積降維&升維](https://chih-sheng-huang821.medium.com/%E5%8D%B7%E7%A9%8D%E7%A5%9E%E7%B6%93%E7%B6%B2%E8%B7%AF-convolutional-neural-network-cnn-1-1%E5%8D%B7%E7%A9%8D%E8%A8%88%E7%AE%97%E5%9C%A8%E5%81%9A%E4%BB%80%E9%BA%BC-7d7ebfe34b8)
### 池化
- 將圖片資料量減少並保留重要資訊的方法，把原本的資料做一個最大化或是平均化的降維計算。
    - ![](https://i.imgur.com/m9JLxvq.png)
- 如下圖，原本8x8的圖片因為我取2x2的池化，所以會變成4x4。
    - ![](https://i.imgur.com/tNjG58U.png)

- 會根據feature map的結果去做pooling，然後得到的就是降維的特徵圖。此例為4x4的Pooling。
### Flatten
- 做完卷積運算和池化法後得到的特徵圖還是一個2-D的圖片，到全連接層前要先轉成1-D的陣列。(如果做完卷積或是池化後結構是1x1的feature map，此步驟可以省略)
- ![](https://i.imgur.com/ks5grvy.png)
### 全連接層部份
- 等於一般神經網路
- Input node: Flatten後的結果，此例為18個nodes。
- Hidden layer: 1層 5個nodes
- Output node: 2個輸出結果。

### Parameter
![](https://i.imgur.com/3HVVxop.png)
![](https://i.imgur.com/hbQKi5C.jpg)
62是因為padding=valid(不補0)所以扣2，原本64
62->31因為pool_size=2*2
31->29因為padding=valid(不補0)所以扣2，原本64
29->14因為pool_size=2*2且padding=valid(不補0)所以會有一個消失29/2=14
14*14*32=6272





# Conference
1. https://chih-sheng-huang821.medium.com/%E5%8D%B7%E7%A9%8D%E7%A5%9E%E7%B6%93%E7%B6%B2%E8%B7%AF-convolutional-neural-network-cnn-cnn%E9%81%8B%E7%AE%97%E6%B5%81%E7%A8%8B-ecaec240a631
2. https://www.pyimagesearch.com/2018/12/31/keras-conv2d-and-convolutional-layers/
3. https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10191924
4. https://cs231n.github.io/convolutional-networks/
5. https://chih-sheng-huang821.medium.com/%E5%8D%B7%E7%A9%8D%E7%A5%9E%E7%B6%93%E7%B6%B2%E8%B7%AF-convolutional-neural-network-cnn-%E5%8D%B7%E7%A9%8D%E8%A8%88%E7%AE%97%E4%B8%AD%E7%9A%84%E6%AD%A5%E4%BC%90-stride-%E5%92%8C%E5%A1%AB%E5%85%85-padding-94449e638e82
6. https://keras.io/api/optimizers/
7. https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/keras/optimizers
8. https://mropengate.blogspot.com/2017/02/deep-learning-role-of-activation.html
9. https://chih-sheng-huang821.medium.com/%E6%A9%9F%E5%99%A8%E5%AD%B8%E7%BF%92-%E7%A5%9E%E7%B6%93%E7%B6%B2%E8%B7%AF-%E5%A4%9A%E5%B1%A4%E6%84%9F%E7%9F%A5%E6%A9%9F-multilayer-perceptron-mlp-%E5%90%AB%E8%A9%B3%E7%B4%B0%E6%8E%A8%E5%B0%8E-ee4f3d5d1b41
10. https://hackmd.io/@allen108108/rkn-oVGA4
11. https://chtseng.wordpress.com/2017/09/23/%E5%AD%B8%E7%BF%92%E4%BD%BF%E7%94%A8keras%E5%BB%BA%E7%AB%8B%E5%8D%B7%E7%A9%8D%E7%A5%9E%E7%B6%93%E7%B6%B2%E8%B7%AF/
12. https://stackoverflow.com/questions/44608552/keras-cnn-model-parameters-calculation
13.