在神經網絡的基礎上，卷積神經網絡（CNN）是如何完成圖像識別任務的？本文介紹了其相關基本原理，一起來看看吧。

上文介紹了神經網絡的基礎概念，今天我們在神經網絡的基礎上，看看卷積神經網絡（CNN）是如何完成圖像識別任務的。

一、圖像識別的痛點問題

在CNN出現之前，圖像識別有兩個大難題：

• 圖像需要處理的數據量太大：圖片是由像素構成的，每個像素又由顏色（R、G、B三個數值）構成，用720p的手機攝像頭隨便拍張照片，就是1280*720*3=276.48萬個參數，計算量無疑是巨大的。
• 圖片內容多變，導致準確率不高：如果對同一物體做翻轉、位置變換等處理，使物體以不同的姿態顯示在圖片中，雖然物體本身并沒有太大變化，但卻大大提升了圖片識別的難度。

而CNN可以有效的解決這兩個問題，它不僅可以大幅減少參數數量，降低復雜度；還可以使用類似視覺處理的方式保留圖像特征，即使圖像翻轉、移動，也可以進行有效的識別。

二、人類的視覺原理

要理解CNN的原理，需要先了解人類的視覺原理。

人類判斷物體的大致過程：眼睛看到物體（瞳孔攝入像素），然后發現物體的邊緣和方向（初步處理），接著判斷物體的形狀（抽象）、最后根據形狀判定是什么物體（進一步抽象）。

我們可以發現，上述過程其實就是一個神經網絡，低層級負責識別圖像基礎特征，多個基礎特征整合后變成上一層的特征，逐層處理，最終在頂層判斷出是什么物體。

這就是CNN的基礎思路。

三、CNN的基本原理

CNN由卷積層、池化層、全連接層三部分構成，它們各自的作用如下：

• 卷積層（Convolutional Layer）：卷積層負責提取圖像中的局部特征。
• 池化層（Pooling Layer）：池化層負責大幅降低參數量級，在保留重要特征信息的同時，降低計算復雜度。
• 全連接層（Fully Connected Layer）：全連接層類似傳統神經網絡的作用，根據卷積層和池化層處理過的數據，計算出最終的結果。

我們先來看看卷積層，卷積層提取局部特征的過程，和人類視覺的提取特征類似，如下圖所示：

圖中的黃色部分是一個濾波器（Filter），我們稱它為“卷積核”，它是一個小的矩陣。

卷積核通過滑動窗口的方式在輸入數據上進行卷積操作，卷積核的每個元素與輸入數據對應位置的元素相乘，然后將所有乘積結果相加，得到卷積操作的輸出結果。

不同的卷積核可以捕捉到不同的特征，例如邊緣、紋理、形狀等。

在訓練過程中，卷積神經網絡會學習到最優的卷積核參數，使得網絡能更好的提取輸入數據的局部特征。

因為卷積核比較小，即便我們做完了卷積處理，圖像依然很大，這時候需要池化層來對數據進行降維操作：

池化層通過對輸入數據的局部區域進行匯聚操作，例如最大池化或平均池化，來減少特征圖的大小。

比如原圖是20*20，我們用一個10*10的采樣窗口對原圖進行下采樣，最終可以將原圖下采樣為一個2*2的小圖。

這個操作其實就是降低圖片的像素，從高清圖變成模糊圖，這樣既保留了主要特征信息，還有效的過濾掉了圖片中的干擾信息，減少了向下一階段傳遞的數據量。

池化層可以更有效的降低數據維度，大大減少參數和運算量，同時還可以避免過擬合現象的發生。

卷積層和池化層提取出的特征，輸入到全連接層進行訓練和學習，由于大大減少了參數量，丟棄了干擾特征，使得訓練成本和復雜度大大降低。

四、應用場景

CNN在計算機視覺領域有廣泛的應用，以下是一些CNN的應用場景：

• 圖像分類：可以將圖像分為不同的類別，如識別手寫數字、識別動物、識別物體等。
• 目標檢測：可以在圖像中定位和識別多個目標。這在自動駕駛、視頻監控、人臉識別等領域有重要應用。
• 圖像分割：可以用于圖像分割，即將圖像中的每個像素分配到不同的類別。這在醫學圖像分析、自然語言處理等領域有廣泛應用。
• 圖像生成：可以用于圖像生成，例如生成逼真的圖像、圖像風格轉換、圖像超分辨率等。
• 視頻分析：可以用于視頻分析，例如動作識別、行為識別、視頻內容理解等。
• 醫學圖像分析：可以用于醫學圖像分析，例如病理圖像識別、肺部結節檢測、疾病預測等。

五、優缺點

CNN的優點：

• 局部感知性：CNN通過卷積操作可以捕捉輸入數據的局部空間關系，能夠有效地提取圖像、語音等數據中的局部特征。
• 參數共享：CNN中的卷積核在整個輸入數據上共享參數，這樣可以大大減少網絡的參數數量，降低過擬合的風險，并提高模型的訓練效率。
• 平移不變性：CNN具有平移不變性，即對輸入數據的平移操作不會改變網絡的輸出。這使得CNN在處理圖像等數據時具有一定的魯棒性。
• 多層次的特征學習：CNN通過堆疊多個卷積層和池化層，可以逐層地學習更加抽象和高級的特征表示，從而提高模型的表達能力。
• 并行計算：CNN中的卷積操作可以并行計算，適合在GPU等硬件上進行高效的計算，加速模型的訓練和推理過程。

CNN的缺點：

• 數據需求量大：CNN通常需要大量的標注數據來訓練模型，特別是在復雜任務和大規模數據集上，需要更多的數據來獲得良好的性能。
• 計算資源要求高：由于CNN模型的復雜性，訓練和推理過程需要大量的計算資源，特別是在深層網絡和大規模數據上。
• 可解釋性較差：由于CNN的復雜結構和參數共享機制，模型的決策過程不太容易解釋和理解，這在一些應用場景中可能會受到限制。
• 對輸入數據的變形敏感：CNN對輸入數據的變形、旋轉等變化較為敏感，這可能導致模型在處理具有變形或扭曲的圖像時性能下降。

六、總結

本文介紹了CNN的基本原理和應用場景，CNN非常適合處理圖像類任務，在很多領域都有廣泛的應用。

下篇文章，我們會介紹循環神經網絡（RNN），還會簡單介紹它的優化算法，敬請期待。