越來越卷，教你使用Python實(shí)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）
@Author：Runsen
https://blog.csdn.net/weixin_44510615/article/details/117409037
卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
Yann LeCun 和Yoshua Bengio在1995年引入了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也稱為卷積網(wǎng)絡(luò)或CNN。CNN是一種特殊的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于處理具有明顯網(wǎng)格狀拓?fù)涞臄?shù)據(jù)。其網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)基于稱為卷積的數(shù)學(xué)運(yùn)算。
卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的類型以下是一些不同類型的CNN：
1D CNN：1D CNN 的輸入和輸出數(shù)據(jù)是二維的。一維CNN大多用于時間序列。
2D CNNN：2D CNN的輸入和輸出數(shù)據(jù)是三維的。我們通常將其用于圖像數(shù)據(jù)問題。
3D CNNN：3D CNN的輸入和輸出數(shù)據(jù)是四維的。一般在3D圖像上使用3D CNN，例如MRI（磁共振成像），CT掃描（甲CT掃描或計(jì)算機(jī)斷層掃描（以前稱為計(jì)算機(jī)軸向斷層或CAT掃描）是一種醫(yī)學(xué)成像 技術(shù)中使用的放射學(xué)獲得用于非侵入性詳述的身體的圖像診斷的目的）和其他復(fù)雜應(yīng)用程序的DICOM圖像（醫(yī)學(xué)數(shù)字成像）
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
以下是CNN中不同層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：
卷積層 池化層 全連接層
CNN架構(gòu)的完整概述
卷積
卷積是對名為f和g的兩個函數(shù)的數(shù)學(xué)計(jì)算，得出第三個函數(shù)（f * g）。第三個功能揭示了一個形狀如何被另一個形狀修改。其數(shù)學(xué)公式如下：
卷積有幾個非常重要的概念：遮罩。
圖中的黃色的部分的就是遮罩
卷積層
卷積層是CNN的核心構(gòu)建塊。CNN是具有一些卷積層和其他一些層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。卷積層具有幾個進(jìn)行卷積運(yùn)算的過濾器。卷積層應(yīng)用于二維輸入，由于其出色的圖像分類工作性能而非常著名。它們基于具有二維輸入的小核k的離散卷積，并且該輸入可以是另一個卷積層的輸出。
在Keras中構(gòu)建卷積層
from?keras.models?import?Sequential
from?keras.layers.convolutional?import?Conv2D
model?=?Sequential()
model.add(Conv2D(32,?(3,?3),?input_shape=(32,?32,?3),?padding='same',?activation='relu'))
上面的代碼實(shí)現(xiàn)說明：
輸出將具有32個特征圖。 內(nèi)核大小將為3x3。 輸入形狀為32x32，帶有三個通道。 padding = same。這意味著需要相同尺寸的輸出作為輸入。 激活指定激活函數(shù)。
接下來，使用不同的參數(shù)值構(gòu)建一個卷積層，如下所示
池化層
池化層它的功能是減少參數(shù)的數(shù)量，并減小網(wǎng)絡(luò)中的空間大小。我們可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)池化：
Max Pooling：表示矩形鄰域內(nèi)的最大輸出。 Average Pooling：表示矩形鄰域的平均輸出
Max Pooling和Average Pooling減少了圖像的空間大小，提供了更少的特征和參數(shù)以供進(jìn)一步計(jì)算。
上圖顯示了帶有步幅為2的2X2濾波器的MaxPool池化層。
在Keras中實(shí)現(xiàn)Max Pool層，如下所示：
model.add（MaxPooling2D（pool_size?=（2，2）））
全連接層
全連接層是確定最終預(yù)測的所有輸入和權(quán)重的總和，代表最后一個合并層的輸出。它將一層中的每個神經(jīng)元連接到另一層中的每個神經(jīng)元
全連接層的主要職責(zé)是進(jìn)行分類。它與softmax激活函數(shù)一起使用以得到結(jié)果。
用于多類的激活函數(shù)是softmax函數(shù)，該函數(shù)以0和1（總計(jì)為1）的概率對完全連接的層進(jìn)行規(guī)范化。
帶有非線性函數(shù)“ Softmax”的Keras代碼如下：
model.add(Dense(10,?activation='softmax'))
Python實(shí)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
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導(dǎo)入所有必需的庫
import?numpy?as?np
import?pandas?as?pd
from?keras.optimizers?import?SGD
from?keras.datasets?import?cifar10
from?keras.models?import?Sequential
from?keras.utils?import?np_utils?as?utils
from?keras.layers?import?Dropout,?Dense,?Flatten
from?keras.layers.convolutional?import?Conv2D,?MaxPooling2D
加載cifar10數(shù)據(jù)：
(X,?y),?(X_test,?y_test)?=?cifar10.load_data()
#?規(guī)范化數(shù)據(jù)
X，X_test?=?X.astype（'float32'）/?255.0，X_test.astype（'float32'）/?255.0
轉(zhuǎn)換為分類：
y，y_test?=?utils.to_categorical（y，10），u.to_categorical（y_test，10）
初始化模型：
model?=?Sequential()
使用以下參數(shù)添加卷積層：
Features map ?= 32 內(nèi)核大小= 3x3 輸入形狀= 32x32 Channels = 3 Padding = 3→表示與輸入相同的尺寸輸出
model.add(Conv2D(32,?(3,?3),?input_shape=(32,?32,?3),?padding='same',?activation='relu'))
#?Dropout
model.add（Dropout（0.2））
#?添加另一個卷積層?padding?='valid'表示輸出尺寸可以采用任何形式
model.add（Conv2D（32，（3，3），activation?='relu'，padding?='valid'））
#?添加一個最大池化層
model.add（MaxPooling2D（pool_size?=（2，2）））
#?展平
model.add（Flatten（））
#?Dense層?隱藏單元數(shù)為521
model.add(Dense(512,?activation='relu'))
#?Dropout
model.add（Dropout（0.3））
#output?
model.add(Dense(10,?activation='softmax'))
#?編譯模型?激活器選擇SGD
model.compile(loss='categorical_crossentropy',?????????????optimizer=SGD(momentum=0.5,?decay=0.0004),?metrics=['accuracy'])
25個epochs
model.fit(X,?y,?validation_data=(X_test,?y_test),?epochs=25,??????????batch_size=512)
總結(jié)
卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要用于提取特征。CNN使用稱為卷積和池化的兩個操作將圖像縮小為其基本特征，并使用這些特征適當(dāng)?shù)乩斫夂头诸悎D像
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