为什么卷积神经网络优于传统机器学习算法?

本文最初发表于 Towards Data Science 博客，经原作者 Rade Nježić 授权，InfoQ 中文站翻译并分享。

近十年来，随着深度学习的发现，图像分类领域经历了复兴。传统的机器学习方法已被更新的、更强大的深度学习算法所取代，例如卷积神经网络。然而，要真正理解并欣赏深度学习，我们必须知道为什么其他方法失败了，而深度学习却成功了。在本文中，我将试图通过对 Fashion MNIST 数据集应用不同的分类算法来回答其中一些问题。

数据集信息

Fashion MNIST 是由 Zalando Fashion 研究室于 2017 年 8 月推出的。随着 MNIST 变得过于容易和过度使用，Fashion MNIST 的目标是成为测试机器学习算法的新基准。MNIST 是由手写的数字组成的，而 Fashion MNIST 是由 10 个不同服装对象的图像组成的。每个图像都具有以下属性：

• 它的大小为 28 × 28 像素。
• 相应地旋转并以灰度表示，整数值范围为 0~255。
• 空白空间用黑色表示，值为 0。

在数据集中，我们区分以下服装对象：

• T 恤/上衣
• 长裤
• 套衫
• 连衣裙
• 大衣
• 凉鞋
• 衬衫
• 运动鞋
• 手提包
• 短靴

探索性数据分析

由于数据集作为 Keras 库的一部分可用，并且图像已经经过处理，因此我们无需进行太多的预处理。我们所做的唯一更改是将图像从二维数组转换为一维数组，因为这样可以使它们更容易处理。

该数据集由 70000 幅图像组成，其中 60000 幅为训练集，10000 幅为测试集。与原始 MNIST 数据集一样，项目也是分布均匀的（每个训练集 6000 幅，测试集 1000 幅）。

不同服装项目的图片示例

然而，一张图片仍然有 784 个维度，因此我们转向主成分分析（Principal component analysis，PCA），看看哪些像素是最重要的。我们设定了累积方差的 80% 的传统基准，而该图告诉我们，只有大约 25 个主成分（占主成分总数的 3%）才有可能实现这一目标。然而，这并不奇怪，因为，我们可以在上面的图片中看到，在每幅图像中都有很多共享的未使用空间，并且不同类别的服装有不同的图像部分是黑色的。后者可能与以下事实有关：大约 70% 的累积方差仅由 8 个主成分解释。

可解释的累积方差百分比

我们将在逻辑回归、随机森林和支持向量机中应用主成分。

图像分类问题只是分类问题的一个小子集。最常用的图像分类方法是深度学习算法，卷积神经网络就是其中之一。其余采用的方法将是一小部分常用分类方法的集合。由于分类标签是均匀分布的，没有错误分类的惩罚，故我们将使用正确率来评估算法。

卷积神经网络

我们采用的第一种方法是卷积神经网络。由于图像是灰度图像，因此我们仅应用一个通道。我们选择了以下架构：

• 两个卷积层，具有 32 和 64 个过滤器（Filter），3 × 3 内核大小，以及 ReLU 激活函数。
• 选择轮询层对大小为 2 × 2 的块进行操作，并从中选择最大的元素。
• 两组密集层，其中第一层选择 128 个特征，具有 ReLU 或 Softmax 激活函数。

这种架构并没有什么特别之处。事实上，它是我们可以用于卷积神经网络的最简单的架构之一。这向我们展示了这类方法的真正威力：使用基准结构可以获得很好的结果。

对于损失函数，我们选择了分类交叉熵（Categorical cross-entropy）。为避免出现过拟合，我们从训练集中选择了 9400 幅图像作为参数的验证集。我们使用了新颖的优化器 ADAM，它比标准的梯度下降法有所改进，并且对每个参数使用不同的学习率，批大小为 64。该模型训练了 50 个轮数。我们在下图中给出了正确率和损失值。

我们可以看到，该算法训练 15 个轮数后出现收敛，但并没有过度训练，所以我们对其进行了测试。得到的测试正确率为 89%，这是所有方法中得到的最好的结果！

在继续其他方法之前，让我们先解释一下卷积层是做什么的。直观的解释是，第一层捕获直线，第二层捕获曲线。在这两个层上，我们都应用了最大池化（Max pooling），即在内核中选择最大的值，将服装部分与空白空间分开。如此一来，我们就抓住了数据的代表性。在其他方面，神经网络自己进行特征选择。经过最后一个池化层，我们就得到了一个人工神经网络。因为我们要处理的是分类问题，因此最后一层使用 Softmax 激活来获得类别概率。当类别概率遵循一定的分布时，交叉熵表示与网络首选分布的距离。

多分类逻辑回归

由于像素值是分类变量，因此我们可以应用多分类逻辑回归（Multinomial Logistic Regression）。我们以一对余的方式应用它，训练 10 个二元逻辑回归分类器，我们将使用这些分类器来选择项目。为避免过度训练，我们使用了 L2 正则化。结果我们得到了 80% 的正确率，比卷积神经网络的正确率低 9%。但是，我们必须考虑到，该算法适用于灰度图像，这些图像是居中且正常旋转的，有很多空白的地方，因此它可能对更为复杂的图像不起作用。

近邻算法和质心算法

我们使用了两种不同的最近距离算法：

• K-最近邻算法
• 近质心近邻算法

近质心近邻算法找出每个类别的元素的平均值，并将测试元素分配给最近质心指定的类别。这两种算法都是相对于 L1 和 L2 距离实现的。K-最近邻算法的正确率为 85%，近质心近邻算法的正确率为 67%。这些结果是在 K=12 时得到的。K-最近邻算法的高正确率告诉我们，属于同一类别的图像往往占据相似的位置，也有类似的像素密度。虽然最近邻算法获得了很好的结果，但它们的表现仍然比卷积神经网络要差，因为它们不在每个特定特征邻近工作；而质心算法失败了，因为它们并不能区分相似的对象（例如套衫与 T 恤/上衣）。

随机森林

为了选择最佳的参数进行估计，我们使用平方根（Bagging）和特征的全部数量、Gini 和熵准则，以及树的最大深度为 5 和 6 进行网格搜索。网格搜索建议使用熵准则的特征平方根数（均适用于分类任务）。然而，得到的正确率仅为 77%，这意味着随机森林方法也不是什么特别好的方法。它失败的原因是主成分并不能代表图像可以具有的矩形分区，而随机森林就是在该矩形分区上操作的。同样的道理也适用于全尺寸图像，因为树会太深，可解释性将会失去。

支持向量机

我们使用径向核和多项式核的支持向量机。径向核的正确率为 77%，而多项式核的正确率仅为 46%。虽然图像分类并不是它们的强项，但对于其他二值分类任务仍然非常有用。它们最大的警告是，它们需要特征选择，而这会降低正确率；但如果没有特征选择，它们的计算成本可能会很高。此外，它们以一对余的方式应用多类分类，这使得更难有效地创建分离超平面（Separating hyperplane），因此在处理非二元分类任务时失去价值。

总结

我们在本文中，针对一个图像分类问题，采用了多种分类方法。我们已经解释了为什么卷积神经网络是我们可以采用的最好的方法，而其他方法为什么会失败。卷积神经网络是最为实用且通常最为正确的方法的一些原因如下：

• 它们可以通过层传递学习，保存推理并在后续层上创建新的推理。
• 在使用该算法之前，无需进行特征提取，而是在训练过程中完成的。
• 它可以识别重要的特征。

但是，它们也有自己的警告。目前已知它们在旋转和缩放方式不同的图像上会失效，但这里的情况并非如此，因为数据已经经过预处理。而且，尽管其他方法在这个数据集上未能提供良好的结果，但它们仍然可以用于其他与图像处理相关的任务（如锐化、平滑等等）。

代码：

https://github.com/radenjezic153/Stat_ML/blob/master/project.ipynb

原文链接：

https://towardsdatascience.com/image-classification-with-fashion-mnist-why-convolutional-neural-networks-outperform-traditional-df531e0533c2