卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理及手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別Pytorch實(shí)現(xiàn)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于前饋網(wǎng)絡(luò)的一種踩官,同全連接前饋網(wǎng)絡(luò)一樣可以視為一個(gè)函數(shù)愈捅。與后者最大的區(qū)別是:卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多了卷積層與池化層定续,因此卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也具有提取局部特征的優(yōu)越性脊岳。

1 卷積

作為一個(gè)通信工程的學(xué)生,對(duì)于卷積定是不會(huì)陌生顿乒∫榻郑總的來(lái)說(shuō),卷積可以用一句話總結(jié):系統(tǒng)當(dāng)前的輸出不僅與當(dāng)前的輸入有關(guān)璧榄,還與過(guò)去的輸入有關(guān)特漩。

1.1 一維卷積

y_t = \sum_{k=1}^{m}\omega_k\times {x_{t-k+1}}

  • y_tt時(shí)刻的系統(tǒng)輸出
  • \omega為濾波器,也稱(chēng)為卷積核
  • 濾波器的長(zhǎng)度為m

1.2 二維卷積

由于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也常用于圖像處理骨杂,而圖像至少為二維矩陣涂身,故擴(kuò)展到了二維矩陣

表達(dá)式如下
y_{i j}=\sum_{u=1}^{m} \sum_{v=1}^{n} w_{u v} \cdot x_{i-u+1, j-v+1}

  • 給定輸入圖像X \in \mathbb{R}^{M \times N}
  • 濾波器W \in \mathbb{R}^{m \times n}

直觀例圖

圖源自《神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)》——邱錫鵬


2 卷積層

卷積層的作用是提取局部的特征,不同的濾波器(卷積核)相當(dāng)于不同的特征提取器腊脱。下面我們通過(guò)一張直觀的圖來(lái)體會(huì)卷積層的結(jié)構(gòu)

圖源自《Deep Learning from Scratch》

從上圖我們了解到:所有的濾波器組合為四維張量访得,其中每一個(gè)三維張量為一種濾波器,不同的濾波器提取輸入的不同的特征


3 池化層

池化層的作用是進(jìn)行特征選擇陕凹,降低特征數(shù)量悍抑,從而減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)數(shù)量。注意池化層的操作對(duì)每個(gè)通道的單獨(dú)處理杜耙,也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)池化層輸入通道與輸出通道的數(shù)量一致

直觀圖示(以最大池化為例)

圖源自《神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)》——邱錫鵬

最大池化

取一個(gè)區(qū)域內(nèi)元素的最大值

平均池化

一般是取區(qū)域內(nèi)所有元素的平均值搜骡。


4 手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別(基于Pytorch)

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