卷积神经网络和深度神经网络的区别是什么?

时间:2024-03-19 12:56:23

作者:飘哥
链接:https://www.zhihu.com/question/29366638/answer/864113705
 

DNN是指深度神经网络,它是一个很广的概念,某种意义上CNN、RNN、GAN等都属于其范畴之内。DNN与CNN(卷积神经网络)的区别是DNN特指全连接的神经元结构,并不包含卷积单元或是时间上的关联。DNN是指包含多个隐层的神经网络,根据神经元的特点,可以分为MLP、CNNs、RNNs等,从神经元的角度来讲解,MLP是最朴素的DNN,CNNs是encode了空间相关性的DNN,RNNs是encode进了时间相关性的DNN。

一.神经网络的发展

1.感知机

神经网络技术起源于上世纪五、六十年代,当时叫感知机(perceptron),拥有输入层、输出层和一个隐含层。输入的特征向量通过隐含层变换达到输出层,在输出层得到分类结果。早期感知机的推动者是Rosenblatt。但是,Rosenblatt的单层感知机有一个严重得不能再严重的问题,对于计算稍微复杂的函数其计算力显得无能为力。

2.多层感知机

随着数学的发展,这个缺点直到上世纪八十年代才被Rumelhart、Williams、Hinton、LeCun等人发明的多层感知机(multilayer perceptron)克服。多层感知机,顾名思义,就是有多个隐含层的感知机。

多层感知机可以摆脱早期离散传输函数的束缚,使用sigmoid或tanh等连续函数模拟神经元对激励的响应,在训练算法上则使用Werbos发明的反向传播BP算法。对,这就是我们现在所说的神经网络( NN)!多层感知机解决了之前无法模拟异或逻辑的缺陷,同时更多的层数也让网络更能够刻画现实世界中的复杂情形。多层感知机给我们带来的启示是,神经网络的层数直接决定了它对现实的刻画能力——利用每层更少的神经元拟合更加复杂的函数。

即便大牛们早就预料到神经网络需要变得更深,但是有一个梦魇总是萦绕左右。随着神经网络层数的加深,优化函数越来越容易陷入局部最优解,并且这个“陷阱”越来越偏离真正的全局最优。利用有限数据训练的深层网络,性能还不如较浅层网络。同时,另一个不可忽略的问题是随着网络层数增加,“梯度消失”现象更加严重。具体来说,我们常常使用 sigmoid 作为神经元的输入输出函数。对于幅度为1的信号,在BP反向传播梯度时,每传递一层,梯度衰减为原来的0.25。层数一多,梯度指数衰减后低层基本上接受不到有效的训练信号。

3.深度神经网络(DNN)

2006年,Hinton利用预训练方法缓解了局部最优解问题,将隐含层推动到了7层(参考论文:Hinton G E, Salakhutdinov R R. Reducing the Dimensionality of Data with Neural Networks[J]. Science, 2006, 313(5786):504-507.),神经网络真正意义上有了“深度”,由此揭开了深度学习的热潮。这里的“深度”并没有固定的定义——在语音识别中4层网络就能够被认为是“较深的”,而在图像识别中20层以上的网络屡见不鲜。为了克服梯度消失,ReLU、maxout等传输函数代替了 sigmoid,形成了如今 DNN 的基本形式。单从结构上来说,全连接的DNN和上图的多层感知机是没有任何区别的。值得一提的是,今年出现的高速公路网络(highway network)和深度残差学习(deep residual learning)进一步避免了梯度弥散问题,网络层数达到了前所未有的一百多层(深度残差学习:152层)

4.卷积神经网络(CNN)

我们看到全连接DNN的结构里下层神经元和所有上层神经元都能够形成连接,带来的潜在问题是参数数量的膨胀。假设输入的是一幅像素为1K*1K的图像,隐含层有1M个节点,光这一层就有10^12个权重需要训练,这不仅容易过拟合,而且极容易陷入局部最优。另外,图像中有固有的局部模式(比如轮廓、边界,人的眼睛、鼻子、嘴等)可以利用,显然应该将图像处理中的概念和神经网络技术相结合。此时我们可以祭出题主所说的卷积神经网络CNN。对于CNN来说,并不是所有上下层神经元都能直接相连,而是通过“卷积核”作为中介。同一个卷积核在所有图像内是共享的,图像通过卷积操作后仍然保留原先的位置关系。

对于图像,如果没有卷积操作,学习的参数量是灾难级的。CNN之所以用于图像识别,正是由于CNN模型限制了参数的个数并挖掘了局部结构的这个特点。顺着同样的思路,利用语音语谱结构中的局部信息,CNN照样能应用在语音识别中。在普通的全连接网络或CNN中,每层神经元的信号只能向上一层传播,样本的处理在各个时刻独立,因此又被称为前向神经网络(Feed-forward Neural Networks)。

神经网络计算方法与传统方法的区别?

神经网络具备:
- 并行
- 容错
- 硬件实现
- 自我学习
以上是神经网络计算方法与传统方法的区别所在。

多层神经网络包含哪几层?

传统意义上的多层神经网络包含三层
- 输入层
- 隐藏层
- 输出层
其中隐藏层的层数根据需要而定,没有明确的理论推导来说明到底多少层合适,多层神经网络做的步骤是:特征映射到值,特征是人工挑选。

二.DNN(深度神经网络)

传统的人工神经网络(ANN)由三部分组成:输入层,隐藏层,输出层,这三部分各占一层。而深度神经网络的“深度”二字表示它的隐藏层大于2层,这使它有了更深的抽象降维能力

三.CNN(卷积神经网络)

对卷积神经网络的研究始于二十世纪80至90年代,时间延迟网络和LeNet-5是最早出现的卷积神经网络;在二十一世纪后,随着深度学习理论的提出和数值计算设备的改进,卷积神经网络得到了快速发展,并被大量应用于计算机视觉、自然语言处理等领域 。

1.什么是卷积神经网络

卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)是一类包含卷积计算且具有深度结构的前馈神经网络(Feedforward Neural Networks),是深度学习(deep learning)的代表算法之一 。由于卷积神经网络能够进行平移不变分类(shift-invariant classification),因此也被称为“平移不变人工神经网络(Shift-Invariant Artificial Neural Networks, SIANN)” 。
《百度百科》

2.卷积神经网络的基本概念

  • 局部感受野(local receptive fields)
  • 共享权重(shared weights)
  • 池化(pooling)

3.卷积神经网络的构成

典型的卷积神经网络由3部分构成:

  • 卷积层
  • 池化层
  • 全连接层

卷积层负责提取图像中的局部特征池化层用来大幅降低参数量级(降维);全连接层类似传统神经网络的部分,用来输出想要的结果

A.卷积——提取特征

卷积层的运算过程如下图,用一个卷积核扫完整张图片:

卷积神经网络和深度神经网络的区别是什么?

这个过程我们可以理解为我们使用一个过滤器(卷积核)来过滤图像的各个小区域,从而得到这些小区域的特征值。

在具体应用中,往往有多个卷积核,可以认为,每个卷积核代表了一种图像模式,如果某个图像块与此卷积核卷积出的值大,则认为此图像块十分接近于此卷积核。如果我们设计了6个卷积核,可以理解:我们认为这个图像上有6种底层纹理模式,也就是我们用6中基础模式就能描绘出一副图像。以下就是25种不同的卷积核的示例:

 

卷积神经网络和深度神经网络的区别是什么?

总结:卷积层的通过卷积核的过滤提取出图片中局部的特征,跟上面提到的人类视觉的特征提取类似。

B.池化层(下采样)——数据降维,避免过拟合

池化层简单说就是下采样,他可以大大降低数据的维度。其过程如下:

卷积神经网络和深度神经网络的区别是什么?

上图中,我们可以看到,原始图片是20×20的,我们对其进行下采样,采样窗口为10×10,最终将其下采样成为一个2×2大小的特征图。

之所以这么做的原因,是因为即使做完了卷积,图像仍然很大(因为卷积核比较小),所以为了降低数据维度,就进行下采样。

总结:池化层相比卷积层可以更有效的降低数据维度,这么做不但可以大大减少运算量,还可以有效的避免过拟合。

C.全连接层——输出结果

这个部分就是最后一步了,经过卷积层和池化层处理过的数据输入到全连接层,得到最终想要的结果。

经过卷积层和池化层降维过的数据,全连接层才能”跑得动”,不然数据量太大,计算成本高,效率低下。

卷积神经网络和深度神经网络的区别是什么?

典型的 CNN 并非只是上面提到的3层结构,而是多层结构,例如 LeNet-5 的结构就如下图所示:

卷积层 – 池化层- 卷积层 – 池化层 – 卷积层 – 全连接层

卷积神经网络和深度神经网络的区别是什么?

 

4.卷积神经网络有2大特点

  • 能够有效的将大数据量的图片降维成小数据量
  • 能够有效的保留图片特征,符合图片处理的原则

5.卷积神经网络的擅长处理领域

卷积神经网络 – 卷积神经网络最擅长的就是图片的处理

6.卷积神经网络解决了什么问题?

在卷积神经网络出现之前,图像对于人工智能来说是一个难题,有2个原因:

  • 图像需要处理的数据量太大,导致成本很高,效率很低
  • 图像在数字化的过程中很难保留原有的特征,导致图像处理的准确率不高

A.需要处理的数据量太大

图像是由像素构成的,每个像素又是由颜色构成的。现在随随便便一张图片都是 1000×1000 像素以上的, 每个像素都有RGB 3个参数来表示颜色信息。假如我们处理一张 1000×1000 像素的图片,我们就需要处理3百万个参数!

1000×1000×3=3,000,000

这么大量的数据处理起来是非常消耗资源的,而且这只是一张不算太大的图片!

卷积神经网络 – CNN 解决的第一个问题就是「将复杂问题简化」,把大量参数降维成少量参数,再做处理。

更重要的是:我们在大部分场景下,降维并不会影响结果。比如1000像素的图片缩小成200像素,并不影响肉眼认出来图片中是一只猫还是一只狗,机器也是如此。

B.保留图像特征

假如一张图像中有圆形是1,没有圆形是0,那么圆形的位置不同就会产生完全不同的数据表达。但是从视觉的角度来看,图像的内容(本质)并没有发生变化,只是位置发生了变化

所以当我们移动图像中的物体,用传统的方式的得出来的参数会差异很大!这是不符合图像处理的要求的。

而 CNN 解决了这个问题,他用类似视觉的方式保留了图像的特征,当图像做翻转,旋转或者变换位置时,它也能有效的识别出来是类似的图像。

7.卷积神经网络的典型架构

  • LeNet-5
  • AlexNet
  • VGG-16
  • Inception-V1
  • Inception-V3
  • RESNET-50
  • Xception
  • Inception-V4
  • Inception-ResNets
  • ResNeXt-50到