11、卷积神经网络：从生物视觉到计算机视觉的探索

卷积神经网络：从生物视觉到计算机视觉的探索

1. 生物视觉系统的奥秘

在人类的视觉系统中，眼睛的晶状体将光线聚焦到眼球后部内侧的视网膜上。视网膜把光线转化为电信号，这些信号被眼球后方的视神经接收，然后通过外侧膝状体核（LGN）中继通路传输到大脑后部的神经元集合处，也就是视觉皮层。

视觉皮层接收、处理并整合这些视觉信号，通过神经元网络形成一种模式，供大脑进行认知处理。当皮层神经元树突接收到来自其他皮层神经元的信号总和超过某个阈值时，该神经元的胞体就会被激活。神经元的激活通过轴突传递给其他神经元，轴突末梢与其他神经元的树突相连，遵循“一起激发的神经元，会连接在一起”的神经科学准则。

在视觉皮层内，被激活的神经元会形成突触放电模式，大脑对这些模式进行解析，从而形成用于认知的图像。我们的大脑通过神经元组合来工作，每个神经元可能与多达10,000个其他神经元相连，通过多达1000万亿种不同的突触路径连接组合相互传递信号。在生物视觉系统中，最初未被激活的皮层神经元在受到超过某个阈值能量的刺激时会被激活，然后可能会与其他神经元建立突触连接，形成对刺激的感知。

2. 计算机视觉与人工神经网络

在计算机视觉领域，相机的镜头接收从物体反射的光子，传感器阵列利用光电效应将光线转化为电信号。这个人工视网膜产生的信号会被放大并中继，类似于视神经和LGN的作用，然后传输到模仿视觉皮层构建的人工神经网络（ANN）。

人工神经网络是由多层人工神经元阵列组成的网络。以一个四层深度的人工神经网络为例（各层为垂直列），它有一个输入层用于接收网络的刺激，接着是两个隐藏层和一个输出层。每列层有四个行神经元，全部以4×4阵列的形式组织，给定列层中的每个神经元与