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卷积神经网络的基本原理 卷积神经网络发展 卷积神经网络三大特点

工程师邓生 来源:未知 作者:刘芹 2023-08-21 16:49 次阅读
卷积神经网络的基本原理 卷积神经网络发展历程 卷积神经网络三大特点

卷积神经网络的基本原理

卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)是深度学习领域中最重要的神经网络之一。它是一种由多个卷积层和池化层(也可称为下采样层)组成的神经网络。CNN 的基本思想是以图像为输入,通过网络的卷积、下采样和全连接等多个层次的处理,将图像的高层抽象特征提取出来,从而完成对图像的识别、分类等任务。

CNN 的基本结构包括输入层、卷积层、池化层、全连接层和输出层。其中卷积层和池化层是最核心的部分。

卷积层的作用是从输入图像中提取特征。它通过卷积操作对图像进行卷积运算,生成多个卷积特征图。卷积层的核心是卷积核,它是一个与输入的图像进行卷积计算的矩阵。卷积核从图像的左上角开始进行扫描,每次移动一格,在移动过程中,对卷积核和图像对应位置的元素进行相乘,再将相乘结果求和,得到一个新的数值。这个数值就是卷积特征图的一个像素值。卷积层通常会加入偏置项和激活函数对卷积特征图做进一步的处理。

池化层的作用是缩小特征图的尺寸,减少网络参数,提高运算速度,并且增强模型的鲁棒性和泛化性能。池化层主要有 MaxPooling 和 AveragePooling 两种方式。MaxPooling 取池化区域内像素的最大值作为新的像素值,而 AveragePooling 取池化区域内像素的平均值作为新的像素值。

全连接层对前面的卷积层和池化层提取的特征进行线性组合,最终得出分类结果。

卷积神经网络发展历程

卷积神经网络最早可追溯到 1980 年代,当时 Yann Lecun 等人设计了一种名为 LeNet-5 的卷积神经网络,成功地应用于手写数字的识别。LeNet-5 包含两个卷积层和三个全连接层,是当时最先进的手写数字识别模型。

但是在将 CNN 应用于更广泛的场景中时,遇到了一些困难。一是卷积核的设计,需要大量的人工经验和实验,耗费大量时间;二是计算量非常大,参数量和计算复杂度都很高。直到 2012 年,Alex Krizhevsky、Ilya Sutskever 和 Geoffrey Hinton 设计了名为 AlexNet 的卷积神经网络,在 ImageNet 比赛中大胜利,使得卷积神经网络得到广泛的关注和应用。

自此,卷积神经网络在各个领域中的应用进一步扩展。如 GoogleNet、VGG、ResNet 等网络模型相继出现,其中 ResNet 模型更是在 2015 年 ImageNet 比赛中获得冠军。除了图像识别,卷积神经网络还能应用于自然语言处理、视频分析、音频处理等领域,正在成为人工智能领域中不可缺少的一部分。

卷积神经网络三大特点

卷积神经网络具有以下三大特点:

1. 局部连接:在卷积层中,每个卷积核只对输入图像的一小部分进行卷积计算,即只与局部区域相连,这样可以大大降低网络的复杂度,减少模型参数,并且可以捕捉图像的空间局部性质。

2. 参数共享:在卷积层中,同一个卷积核对应的所有卷积位置都使用相同的卷积参数,这样可以充分利用图像的统计局部特性,简化模型结构,加速计算速度,并且可以增强模型的泛化能力。

3. 下采样:卷积神经网络中的池化层可以对特征图进行降采样,在保留重要特征信息的同时,减少模型参数,降低过拟合的风险。下采样的具体方式有 MaxPooling 和 AveragePooling 两种方法,其中 MaxPooling 主要用于提取图像的边缘特征,而 AveragePooling 更适用于提取图像的全局特征。

总结

卷积神经网络是深度学习领域中最为重要的神经网络之一,它的发展历程可以追溯到 1980 年代。卷积神经网络的基本结构包括输入层、卷积层、池化层、全连接层和输出层,其中卷积层和池化层是最核心的部分。卷积神经网络具有局部连接、参数共享和下采样等三大特点,能够提取图像的高层抽象特征,完成图像的识别、分类等任务,应用于各种领域。

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