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CNN神经网络预测实例(cnn神经网络预测实例讲解)



输入层(Input layer),众多神经元(Neuron)接受大量非线形输入讯息。输入的讯息称为输入向量。

输出层(Output layer),讯息在神经元链接中传输、分析、权衡,形成输出结果。输出的讯息称为输出向量。

隐藏层(Hidden layer),简称“隐层”,是输入层和输出层之间众多神经元和链接组成的各个层面。如果有多个隐藏层,则意味着多个激活函数。

卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)针对全连接网络的局限做出了修正,加入了卷积层(Convolution层)和池化层(Pooling层)。通常情况下,卷积神经网络由若干个卷积层(Convolutional Layer)、激活层(Activation Layer)、池化层(Pooling Layer)及全连接层(Fully Connected Layer)组成。

下面看怎么卷积的

1.如图,可以看到:

(1)两个神经元,即depth=2,意味着有两个滤波器。

(2)数据窗口每次移动两个步长取3*3的局部数据,即stride=2。

(3)边缘填充,zero-padding=1,主要为了防止遗漏边缘的像素信息。

然后分别以两个滤波器filter为轴滑动数组进行卷积计算,得到两组不同的结果。

2.如果初看上图,可能不一定能立马理解啥意思,但结合上文的内容后,理解这个动图已经不是很困难的事情:

(1)左边是输入(7*7*3中,7*7代表图像的像素/长宽,3代表R、G、B 三个颜色通道)

(2)中间部分是两个不同的滤波器Filter w0、Filter w1

(3)最右边则是两个不同的输出

(4)随着左边数据窗口的平移滑动,滤波器Filter w0 / Filter w1对不同的局部数据进行卷积计算。

局部感知:左边数据在变化,每次滤波器都是针对某一局部的数据窗口进行卷积,这就是所谓的CNN中的局部感知机制。打个比方,滤波器就像一双眼睛,人类视角有限,一眼望去,只能看到这世界的局部。如果一眼就看到全世界,你会累死,而且一下子接受全世界所有信息,你大脑接收不过来。当然,即便是看局部,针对局部里的信息人类双眼也是有偏重、偏好的。比如看美女,对脸、胸、腿是重点关注,所以这3个输入的权重相对较大。

参数共享:数据窗口滑动,导致输入在变化,但中间滤波器Filter w0的权重(即每个神经元连接数据窗口的权重)是固定不变的,这个权重不变即所谓的CNN中的参数(权重)共享机制。

图中最左边的三个输入矩阵就是我们的相当于输入d=3时有三个通道图,每个通道图都有一个属于自己通道的卷积核,我们可以看到输出(output)的只有两个特征图意味着我们设置的输出的d=2,有几个输出通道就有几层卷积核(比如图中就有FilterW0和FilterW1),这意味着我们的卷积核数量就是输入d的个数乘以输出d的个数(图中就是2*3=6个),其中每一层通道图的计算与上文中提到的一层计算相同,再把每一个通道输出的输出再加起来就是绿色的输出数字啦!

举例:

绿色输出的第一个特征图的第一个值:

1通道x[ : :0] 1*1+1*0 = 1 (0像素点省略)

2通道x[ : :1] 1*0+1*(-1)+2*0 = -1

3通道x[ : :2] 2*0 = 0

b = 1

输出:1+(-1)+ 0 + 1(这个是b)= 1

绿色输出的第二个特征图的第一个值:

1通道x[ : :0] 1*0+1*0 = 0 (0像素点省略)

2通道x[ : :1] 1*0+1*(-1)+2*0 = -1

3通道x[ : :2] 2*0 = 0

b = 0

输出:0+(-1)+ 0 + 1(这个是b)= 0

模型训练超参数设置,构建训练数据:如果你没有源数据,那么DOWNLOAD_MNIST=True

数据下载后是不可以直接看的,查看第一张图片数据:

结果:60000张图片数据,维度都是28*28,单通道

画一个图片显示出来

结果:

训练和测试数据准备,数据导入:

注意:这里的归一化在此模型中区别不大

构建CNN模型:

把模型实例化打印一下:

结果:

开始训练:

结果:

卷积层维度变化:

(1)输入1*28*28,即1通道,28*28维;

(2)卷积层-01:16*28*28,即16个卷积核,卷积核维度5*5,步长1,边缘填充2,维度计算公式B = (A + 2*P - K) / S + 1,即(28+2*2-5)/1 +1 = 28

(3)池化层:池化层为2*2,所以输出为16*14*14

(4)卷积层-02:32*14*14,即32卷积核,其它同卷积层-01

(5)池化层:池化层为2*2,所以输出为32*7*7;

(6)fc层:由于输出为1*10,即10个类别的概率,那么首先对最后的池化层进行压缩为二维(1,32*7*7),然后全连接层维度(32*7*7,10),最后(1,32*7*7)*(32*7*7,10)

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