卷积神经网络详解卷积神经网络包括哪几层及各层功能

工程师邓生 2023-08-21 5945

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卷积神经网络详解卷积神经网络包括哪几层及各层功能

卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNNs)是一个用于图像和语音识别的深度学习技术。它是一种专门为处理多维数组而设计的神经网络。CNN不仅广泛应用于计算机视觉领域，还在自然语言处理、语音识别和游戏等领域有广泛应用。下文将详细地介绍CNN的各层及其功能。

1.卷积层(Convolutional Layers)

卷积层是CNN的核心组成部分，其作用是提取输入图像的特征。卷积层通过卷积操作将输入图像与多个卷积核进行卷积运算，从而提取出图像中的多个特征。每个卷积核可以提取出不同的特征，如边缘、斑点、纹理等，多个卷积核可以提取出更多的特征。卷积层通常会包括多个滤波器，用于在输入图像上提取多个特征图。

卷积层处理输入数据时，会以固定大小的滑动窗口扫描输入数据。这个滑动窗口被称为卷积核或滤波器，其大小通常为3×3、5×5等。卷积核会与输入数据做点积运算，计算在每个位置上得到特征图的值。通过不同大小的卷积核比如 3×3, 5×5 等,CNN在不同尺度下学习图像特征。

2.池化层(Pooling Layers)

池化层通常跟在卷积层之后，其作用是降低输入数据的维度，并减少计算量。池化层通常会选择一个固定的窗口大小与固定的步长。在窗口范围内，池化层会选择一个最大值或平均值作为输出。这个过程可以看做是对输入数据进行采样，其有效减少了特征图中的冗余信息，提高了计算效率。

在池化层中，max pooling 和 average pooling 是常用的两种方法。其中 max pooling 可以更好的提取出输入数据中的特征，拥有一定的不变性。

2.1 Max Pooling

Max Pooling 是被广泛应用的一种池化方式，它的作用是对特征图做降采样。Max Pooling 操作通常采用一个2×2的窗口，以2为步长，对每个通道的特征图进行操作。从特征图中提取出每个矩形窗口相应位置的最大元素，将这些最大值组成的新矩阵作为输出。

如下图所示，是 Max Pooling 作用的示意图。在这个示例中，一个2×2 的窗口以2的步长从原矩阵中扫描过来，提取矩阵中每个窗口中的最大元素组成新矩阵。可以看出，新矩阵维度比原矩阵降低了一半。

2.2 Average Pooling

Average Pooling （均值池化）是另一种常用的池化方式，它的作用也是对特征图做降采样。Average Pooling 操作和 Max Pooling 操作类似，但是输出的值是窗口内元素的平均值。

3.批标准化层(Batch Normalization Layers)

批标准化层通常跟在卷积层或全连接层之后，其作用是将输入数据进行归一化处理。这可以使输入数据有更可靠的分布，有效防止神经网络中产生梯度消失的问题。

批标准化使用输入数据的平均值和标准差，对数据进行归一化处理。这个过程可以看作是对输入数据进行均值缩放和平移，使其具有更可靠的分布。批标准化可以有效提高训练速度和网络的准确性。

4.经典激活函数(Activation Functions)

激活函数通常跟在卷积层或全连接层之后，其作用是对输出数据进行非线性变换。激活函数可以使神经网络具有更强的表示和逼近能力。

常见的激活函数有 Sigmoid、Tanh、ReLU、LeakyReLU等函数。

4.1 Sigmoid

Sigmoid 激活函数是最常见的激活函数之一，它的公式为 f(x) = 1 / (1 + exp(-x))。Sigmoid 函数的特点是输出值在0到1之间，这使它可以被用于二分类问题。然而，当网络很深时，Sigmoid 激活函数容易产生梯度消失的问题，限制了神经网络的深度。

4.2 Tanh

Tanh 激活函数与 Sigmoid 函数相似，但是它输出值的范围在-1到1之间，因此它可以被用于多元分类问题。Tanh 函数在神经网络中使用较少。

4.3 ReLU

ReLU(修正线性单元)激活函数处理速度快,具有快速训练、实现简单、结果不易消失、计算速度快等优点。ReLU的公式为f(x)=max(0, x)，即对于一个输入的x，若其小于0，则激活函数返回0，否则返回其本身。ReLU的优点在于计算速度快，实现较为简单，而且相对于其他激活函数已经证明其效果更好。

4.4 Leaky ReLU

Leaky ReLU是ReLU的一种变型，如下图。当x小于0时，函数在该点斜率较小，而不是像ReLU那样完全水平，这可以缓解ReLU死亡神经元的问题。在一些实际应用中，Leaky ReLU的性能确实优于ReLU。

以上就是卷积神经网络的几个核心组成部分。在实际应用中，卷积神经网络通常包含多个卷积层和池化层、批标准化层以及经典的激活函数。这些组件相互协作，构成了强大的深度学习模型，可以用于图像分类、目标检测、人脸识别等诸多领域，已经成为计算机视觉领域中最成功的模型之一。

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