基于卷積神經網絡的圖像大數據識別

吳海麗

(太原學院計算機工程系,山西太原030012)

深度學習是一種在淺層網絡的基礎上發(fā)展而來的機器學習模型，其本質就是學習數據的本質特征，通過網絡對于數據的逐層表示并進行降維，從而獲得能揭示事物本質的核心特征。目前，深度學習已經在計算機視覺、無人駕駛、博弈論、自然語言處理和網絡優(yōu)化等方面獲得了廣泛的關注[1]。

卷積神經網絡是計算機視覺中應用最廣泛的一種深度學習網絡，目前已經在各類領域中的各類圖像識別任務中獲得了較好的效果，如人臉識別、指紋識別、車牌識別、目標跟蹤等[2-6]。然而，光照和視角的變化仍然給圖像識別帶來了一定的挑戰(zhàn)，為了解決該問題：康曉東等[7]提出了一種結合圖像特征數據和深度信任網絡的彩色圖像識別方法，在構造圖像色彩數據場的前提下，通過小波變換描述圖像的多尺度特征，最后通過無監(jiān)督訓練深度信任網絡，但識別率有待進一步提高。江帆等[8]提出了一種基于CNN-GRNN模型的圖像識別方法，設計了一種新的圖像識別模型，通過卷積網絡提取圖像中的多層特征，并采用廣義回歸神經網絡代替反向傳播神經網絡，從而提高分類器的泛化能力和魯棒性。

以上這些方法主要研究圖像識別方法，然而，當數據量過大時，防止網絡過擬合的能力減弱，為此本文設計了一種改進的卷積神經網絡圖像大數據識別模型，通過在分類器中引入Dropout結構來提高網絡的學習能力，最終提高網絡的識別結果。

1 基于卷積神經網絡的圖像數據識別

1.1 卷積神經網絡

卷積神經網絡是隨著深度學習的發(fā)展而進一步廣泛應用的，在圖像處理方面得到了廣泛的應用。通過將卷積模板與上一層的每個特征圖進行卷積，可以得到下一層的特征圖，每一層的特征圖都是由多個二維的平面組成。卷積神經網絡是由輸入層、隱含層和輸出層組成。輸入層主要接收未經處理的原始圖像，而隱含層是多個非線性結構的神經元層，該層也可以包括卷積層、子采樣層和單層的感知器。輸出層則是對特征進行分類。每個神經元的結構如圖1所示。

圖1 卷積神經網絡神經元結構

其中，SUM表示輸入元素(多個維度x1,x2,x3和神經元的閾值)的加權和，F(z)表示激活函數，激活函數通常取Sigmoid函數和Tanh函數，Sigmoid函數的值域為(0,1)而Tanh函數的值域為(-1,1)。

深度卷積網絡的特征提取主要是在卷積層進行的，通過對卷積層進行優(yōu)化可以提高分類的準確率，一個具有7個輸出類型的典型的深度神經網絡如圖2所示。

圖2 具有7個輸出類型的深度神經網絡

其中，Input表示輸入層，而輸出層的A、B、C、D、E、F和G表示輸出的7種類型，C1、S2、C3、S4是隱含層神經元，C1為第一個卷積層、S2表示第二個下采樣層、C3為第二個卷積層，而S4表示第4個下采樣層。

1.2 軟最大化分類器

軟最大化分類器可以簡稱為Softmax，該分類器在機器學習和深度學習中應用廣泛。對于多分類的問題，分類器最后的輸出有效地判斷出樣本所屬的類別，而Softmax函數則可以將所有的輸出歸一化到(0,1)之間，從而將某樣本歸為最近于1的類別所屬的分類，軟最大化方法采用的歸一化公式如下：

其中，Yi表示原始的第i個輸出對于具有n個輸出的軟最大化層。

對于這n個輸出，選取最接近于1的值s作為最終的識別類別：

1.3 改進的卷積神經網絡模型

現有的深度神經網絡模型往往通過全連接并通過BP網絡進行分類，采用加入Dropout機制的軟最大化分類器，該網絡具有更好的函數逼近能力。

從圖3中可以看出，提出的改進的卷積神經網絡模型，該模型是由兩個部分構成：卷積神經網絡和改進的分類器網絡。其工作原理為：首先將原始的輸入圖片輸入到整個模型的輸入層，然后經過整個卷積層，即一系列的卷積和下采樣，得到特征圖像；接著，通過一個全連接層構成一維的列向量，將該向量連入改進的分類器網絡，從而得到最終的分類結果。

圖3 文中所提模型

1.3.1 特征的生成

特征的生成過程可以描述為下列步驟：

(1)原始數據的輸入：特征生成部分是一種端到端的模型，因此，可以直接將圖片輸入到模型中，而無需太多的預處理操作。

(2)隱含層是由卷積層和降采樣層組成。卷積層是利用多個卷積核對上一層的特征圖進行卷積操作，從而獲得多個特征圖像，卷積操作的公式為：

其中，x(n)和h(n)分別是卷積操作的輸入和權。

因此，對于某個原始的圖片map，假設上一層的特征圖的輸出為，而當前層的第i個特征map的輸入為，權值為，且閾值為，則輸出特征圖表示為：

(3)池化層：池化層的目標是進行下采樣，目的是進一步的降下維，池化層神經元的輸出為：

其中，down()表示第l-1層的第j個特征map的下采樣。

(4)全連接層：全連接層的作用是將上一層的二維結構轉為單個向量的輸出，當輸入表示為x，輸入權矩陣W和偏置向量b時，則表示為全連接層的每個神經元的輸出hw,b(x)可以表示為：

1.3.2 改進的分類器

為了進一步提高所提模型的識別能力，本文在軟最大化分類器的基礎上進一步采用了Dropout機制。它的運行機制如下：在訓練過程的每輪迭代中，隨機地選擇神經網絡中某些層的單元并丟棄，然后開始網絡的訓練和優(yōu)化。訓練過程中每個神經元都以p的概率被保留，而以1-p的概率被丟棄。而在測試階段，每個神經元都存在，權重參數w乘以p，則得到的Dropout的期望值為px。

采用改進的軟最大化分類器作為分類器。在傳統的軟最大化分類器的基礎上，更好地防止完了過的過擬合能力，獲得更好的識別結果。

改進的分類器如圖4所示。

圖4 分類層網絡結構

2 仿真實驗

為了驗證所提方法，對MNIST數據集，采用Matlab2012環(huán)境對所提的方法進行驗證。實驗中所采用的參數為：首先對原始圖片進行預處理，將圖片變換為128*128，然后將其作為輸入層的輸入，卷積層1采用的卷積核為6個通道的5*5的模板，接下來是池化層1，采用2*2的模板進行池化，卷積層2采用12個通道的5*5的模板，接下來是2*2的池化層2，然后是全連接層為150個。網絡訓練完1次和2次后得到的均方誤差如圖5(a)和(b)所示。

圖5 均方誤差預測結果

為了進一步驗證所提方法的優(yōu)越性，將所提的方法與原始的卷積方法、文獻[7]方法和文獻[8]所提的方法進行比較，結果如表1。

表1 各類方法的比較結果

從圖5和表1均可發(fā)現，所提的方法具有較高的識別率，同時與其它方法相比，具有更低的誤識率，在更短的時間內，能達到更低的分類均方誤差。

3 結語

為了實現圖像大數據的識別，提出了一種改進的深度卷積網絡圖像識別模型。該模型通過引入Dropout機制來建立軟最大化分類器，實現對圖像的有效識別。為了驗證所提方法的有效性，采用MNIST圖像識別數據庫作為實驗數據，在Matlab中進行仿真，實驗結果表明所提的方法具有更高的識別準確率。同時與其它方法相比，所提的方法具有更低的誤識率，在更短的時間內，能達到更低的分類均方誤差。