CNNs的简明介绍

本教程由博主精心整理,深入浅出地介绍了卷积神经网络(CNN)的基本原理和操作过程,特别适合初学者快速掌握CNN的关键概念和技术要点,通过实例演示如何使用滤波器进行特征提取。

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### 卷积神经网络 (CNNs) 的工作原理及详细结构 #### 1. 定义与概述 卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNNs)是一种专门用于处理数据具有网格状拓扑结构的深层前馈神经网络[^2]。它最初被设计用来解决图像分类问题,但由于其强大的特征提取能力和泛化性能,在许多领域得到了广泛应用。 #### 2. 主要组成部分 CNN 的核心由多个层次组成,这些层次通过特定的操作来逐步提取输入数据中的复杂模式: - **卷积层** 卷积层是 CNN 中最重要的部分之一,负责执行局部感知域内的加权求和运算。该过程可以通过滑动窗口的方式实现,其中滤波器(也称为核)会扫描整个输入矩阵并生成一个新的特征图(Feature Map)。这一操作能够有效减少参数数量,并保留空间上的相关性[^1]。 - **池化层** 池化层通常紧随卷积层之后,目的是降低维度大小从而减少计算量以及防止过拟合现象发生。常见的方法有最大值池化(Max Pooling) 和平均值池化(Average Pooling),它们分别选取区域内的最高数值或者均值作为代表输出。 - **全连接层** 当经过若干次卷积与下采样后得到较小尺寸但富含语义信息的地图时,则可以将其展平成一维向量送入传统的人工神经元组成的密集型网络——即所谓的“全连接层”。此时每个节点都与其他所有上一层单元相连形成全局关联关系。 - **激活函数** 在每一级变换之间加入非线性的映射机制是非常必要的,因为只有这样才能让模型具备足够的灵活性去逼近任意复杂的实际目标分布情况。目前最流行的几种形式包括 ReLU(Rectified Linear Unit), Sigmoid 及 Tanh 等类型[^3]。 ```python import tensorflow as tf from tensorflow.keras import layers, models model = models.Sequential() model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(28, 28, 1))) model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2))) model.add(layers.Flatten()) model.add(layers.Dense(64, activation='relu')) model.add(layers.Dense(10)) ``` 上述代码片段展示了一个简单的 CNN 架构定义流程:依次添加不同类型的层对象至序列容器内完成搭建;值得注意的是这里采用了 `ReLU` 函数充当中间过渡环节里的激励组件实例演示。 #### 3. 训练方式 利用反向传播算法调整权重使得预测误差最小化的过程同样适用于 CNN 。具体而言就是依据链式法则沿着梯度方向更新各阶段涉及的相关系数直至满足收敛条件为止。 ---
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