什么是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)？如何MATLAB實現(xiàn)CNN？

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN 或 ConvNet）是一種直接從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 CNN 特別適合在圖像中尋找模式以識別對象、類和類別。它們也能很好地對音頻、時間序列和信號數(shù)據(jù)進行分類。

CNN 的工作原理

一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有數(shù)十層乃至數(shù)百層，每層都學(xué)習(xí)檢測圖像的不同特征。將不同分辨率的濾波器應(yīng)用于每個訓(xùn)練圖像，每個卷積后圖像的輸出會成為下一層的輸入。濾波器可以從非常簡單的特征開始，例如亮度和邊緣，然后越來越復(fù)雜，直到可以唯一定義目標(biāo)的特征為止。

什么是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)？ CNN 的工作原理是什么？

特征學(xué)習(xí)、層和分類 CNN 由一個輸入層、一個輸出層和中間的多個隱藏層組成。

這些層會執(zhí)行運算以更改數(shù)據(jù)，目的是學(xué)習(xí)特定于數(shù)據(jù)的特征。卷積層、激活層（即 ReLU 層）和池化層是三種最常見的層。

卷積層將一組卷積濾波器應(yīng)用于輸入圖像，每個濾波器激活圖像中的特定特征。

修正線性單元 (ReLU) 層將負(fù)值映射到零，同時保持正值不變，讓訓(xùn)練更快、更高效。該層有時也稱為激活層，因為只有激活的特征才會傳遞給下一層。

池化層執(zhí)行非線性下采樣，減少網(wǎng)絡(luò)需要學(xué)習(xí)的參數(shù)個數(shù)，從而簡化輸出。

這些操作在數(shù)十層或數(shù)百層上反復(fù)進行，每一層都學(xué)習(xí)識別不同的特征。 一個包含大量卷積層的網(wǎng)絡(luò)。將不同分辨率的濾波器應(yīng)用于每個訓(xùn)練圖像，每個卷積后圖像的輸出會成為下一層的輸入。

共享權(quán)重和偏置 與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同的是，CNN 具有共享的權(quán)重和偏置值。這些值對于給定層中的所有隱藏神經(jīng)元均相同。 這意味著所有隱藏神經(jīng)元會在圖像的不同區(qū)域檢測相同的特征，例如邊緣或斑點。因此，網(wǎng)絡(luò)容許圖像中的目標(biāo)有一定的平移。例如，對于一個汽車識別網(wǎng)絡(luò)，無論汽車出現(xiàn)在圖像何處，網(wǎng)絡(luò)都能進行識別。 分類層 通過多個層學(xué)習(xí)特征后，CNN 的架構(gòu)轉(zhuǎn)向分類。 倒數(shù)第二層是一個全連接層，它輸出一個 K 維向量（其中 K 是網(wǎng)絡(luò)能夠預(yù)測的類的數(shù)量），并包含圖像被分到各個類的概率。 CNN 架構(gòu)的最后一層使用分類層來提供最終分類輸出。

CNN 為何重要

CNN 架構(gòu)非常適合用來揭示和學(xué)習(xí)圖像和時間序列數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵特征。CNN 是以下應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)： 醫(yī)學(xué)成像：CNN 可以檢查成千上萬份病理報告，以視覺方法檢測圖像中是否存在癌細(xì)胞。 信號處理：只要設(shè)備帶有麥克風(fēng)，就可以進行關(guān)鍵字檢測，檢測到用戶說出的特定字詞（如“嘿 Siri”）。CNN 可以在各種環(huán)境下準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)和檢測關(guān)鍵字，同時忽略所有其他字詞。 目標(biāo)檢測：自動駕駛依靠 CNN 來準(zhǔn)確檢測標(biāo)志或其他目標(biāo)的存在，并根據(jù)輸出作出決策。 合成數(shù)據(jù)生成：使用生成對抗網(wǎng)絡(luò) (GAN) 可以生成新圖像，用于深度學(xué)習(xí)應(yīng)用，包括人臉識別和自動駕駛。

何時使用 CNN？ 當(dāng)您有大量復(fù)雜數(shù)據(jù)（例如圖像數(shù)據(jù)）時，可以考慮使用 CNN。您還可以使用 CNN 處理針對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)預(yù)處理過的信號或時間序列數(shù)據(jù)。 考慮使用預(yù)訓(xùn)練模型 使用 CNN 時，工程師和科學(xué)家們更喜歡從一個預(yù)訓(xùn)練的模型開始，使用新數(shù)據(jù)集來讓該模型學(xué)習(xí)和識別其中的特征。 您可以使用 GoogLeNet、AlexNet 和 Inception 等模型作為起點，利用專家構(gòu)建的、經(jīng)過驗證的架構(gòu)來探索深度學(xué)習(xí)。

用 MATLAB 實現(xiàn) CNN

借助 MATLAB 和 Deep Learning Toolbox，您能夠設(shè)計、訓(xùn)練和部署 CNN。 設(shè)計和訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò) 使用深度網(wǎng)絡(luò)設(shè)計器，您可以導(dǎo)入預(yù)訓(xùn)練模型或從頭構(gòu)建新模型。 您還可以直接在該 App 中訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，并使用準(zhǔn)確度、損失和驗證指標(biāo)圖來監(jiān)控訓(xùn)練。

深度網(wǎng)絡(luò)設(shè)計器，用于交互式構(gòu)建、可視化和編輯深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。

使用預(yù)訓(xùn)練模型進行遷移學(xué)習(xí) 通常來說，使用遷移學(xué)習(xí)對預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)進行微調(diào)比從頭開始訓(xùn)練更快、更輕松。它只需要很少的數(shù)據(jù)和計算資源。遷移學(xué)習(xí)使用某一類問題的相關(guān)知識來解決與之類似的問題。該方法以一個預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)作為起點，利用它學(xué)習(xí)新任務(wù)。遷移學(xué)習(xí)的優(yōu)點是預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)已學(xué)習(xí)了一系列豐富的特征。例如，以一個基于數(shù)百萬個圖像訓(xùn)練過的網(wǎng)絡(luò)為起點，只需再用幾百個圖像重新訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)就能對新目標(biāo)進行分類。

使用 GPU 進行硬件加速 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)百萬個圖像進行訓(xùn)練的。在對大量數(shù)據(jù)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行處理時，GPU 可以顯著縮短訓(xùn)練模型所需的處理時間。

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編輯：黃飛