卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法三大類

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法三大類

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，簡稱CNN）是一種常用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是圖像識別和計算機(jī)視覺方面。CNN通過卷積層、池化層和全連接層等組成，這些組成形成了 CNN 的算法三大類，即卷積層、池化層和全連接層。下面，本文將著重講解 CNN 的算法三大類。

一、卷積層

卷積層是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最重要的部分之一，它是由一組過濾器或卷積核組成的。卷積核的作用就是掃描整張圖像的各個像素點(diǎn)，然后提取其中的特征，這些特征可以是邊緣、角、顏色、紋理、線條等等。卷積核在掃描時，每掃描一次就移動一定的步長，通常步長為1，也可以是其他的值。卷積核掃描圖像時，會在每個窗口區(qū)域上做卷積運(yùn)算，然后再進(jìn)行匯集。

其中，f和w分別是圖像和卷積核，卷積核大小為k x k，步長為s，偏置項為b，輸出特征圖的大小為 (n-k)/s +1。

卷積操作的目的是對特征進(jìn)行有效提取，由于卷積層可以有效提取對于某些特征比較敏感的像素值，因此卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能可以進(jìn)一步提高。

二、池化層

卷積層的提取特征效果很好，但是在一張大圖像的處理中，大量的計算對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速度帶來了不小的影響，為了解決這個問題，人們提出了池化層。池化層的作用是將圖像的特征進(jìn)行降維，從而減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量，同時也能夠避免某些特征的過度擬合。池化層更多的是一種取樣策略，該層不是直接對圖像進(jìn)行運(yùn)算，而是對輸出結(jié)果進(jìn)行采樣。常見的池化方式有最大池化和平均池化。

最大池化：指選取激活值最大的像素作為采樣值，例如 $2 \times 2$ 的矩陣

在最大池化操作中，我們可以采用 $2 \times 2$ 池化器，它將第一行第一列的值和第一行第二列的值做個比較，然后取出最大值。同樣的，它也可以采用第二行第一列和第二行第二列中的最大值

最大池化的尺寸可以設(shè)定，一般是選擇 $2 \times 2$ 的池化器。最大池化不僅可以對像素值進(jìn)行降維處理，而且能夠提取出一些特征，例如它可以提取圖像的強(qiáng)度、顏色等等特征。

平均池化：平均池化與最大值池化很相似，不同的是它并不是直接選擇激活值最大的像素，而是選擇區(qū)域內(nèi)值的平均值。在直覺上，最大池化更適合在數(shù)據(jù)中選擇有用的特征，而平均池化更加適合一些簡單的分類任務(wù)。

三、全連接層

卷積層和池化層只是對圖像的特征進(jìn)行二維處理，而全連接層是將所有的特征進(jìn)行展開，并與權(quán)重相乘相加。它的作用是將卷積層提取到的圖像特征轉(zhuǎn)化為特征向量并輸入到分類器中。全連接層和傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式一樣，但不同的是，它是對每個單元都進(jìn)行了連接處理，因此它需要處理的數(shù)據(jù)也比較龐大，是四大環(huán)節(jié)中運(yùn)算量最大的一個部分。

總結(jié)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以劃分為三大類：卷積層、池化層和全連接層。卷積層是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心部分，其目的是對特征進(jìn)行有效提取；池化層是對特征進(jìn)行降維，從而減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量，同時也能夠避免某些特征的過度擬合；全連接層將卷積層提取到的圖像特征轉(zhuǎn)化為特征向量并輸入到分類器中。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過組合不同的層可以實(shí)現(xiàn)卓越的性能，在圖像識別、語音識別、自然語言處理等領(lǐng)域都能夠起到非常優(yōu)秀的作用。