關(guān)于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)視覺中的應(yīng)用研究

茹鮮古麗·蘇來滿

摘要：隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展演變，深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在流行全球的深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域中顯得尤為活躍，它擁有傳統(tǒng)機(jī)器無法比擬的豐富網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。特別是在模型和算法上對(duì)計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別能力的提高起到重要作用。基于此，本文將對(duì)深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)視覺中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 計(jì)算機(jī)視覺 深度卷積

一、深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可理解成是一種前饋網(wǎng)絡(luò)，屬于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種。在網(wǎng)路中，每個(gè)神經(jīng)元相繼從輸入層開始逐級(jí)傳遞，最終達(dá)到輸出層，這種傳遞是不可逆的，即它只朝著一個(gè)方向傳遞，所以無法形成循環(huán)，也就是沒有周期性。

二、深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)視覺中的應(yīng)用

（一）卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理和結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別是通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)層次結(jié)構(gòu)（卷積層、池化層、全連接層）的堆疊來實(shí)現(xiàn)的。

1. 卷積層

上圖所描述的是卷積層對(duì)原始圖像的處理結(jié)果，卷積的過程也是圖像特征提取的過程。

圖中5×5的格子表示原始圖像，黃色小九宮格（3×3）代表一個(gè)濾波器覆蓋原始圖像的范圍（它的大小可以通過人工來設(shè)置）。并伴隨著處理的進(jìn)程，不斷沿著圖像的長和寬，以單位距離滑動(dòng)，即如果設(shè)置滑動(dòng)距離為1，那么濾波器每次就會(huì)移動(dòng)1個(gè)小方格。右側(cè)的圖表示對(duì)圖像處理的卷積結(jié)果。隨著濾波器在原始圖像中不斷滑動(dòng)，逐漸形成一個(gè)二維激活圖像。

這里我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，得到的輸出圖像明顯小于原始圖像。也就是說，在每次卷積之后，輸出的尺寸會(huì)減少。為了讓輸出圖像尺寸與原始圖像尺寸相同，我們可以在輸出圖像的邊界添加數(shù)字0。結(jié)合上面的例子，我們把3×3圖片的每條邊上添加2排0，那么根據(jù)公式[（N-F +2P）/S]+1，就會(huì)得出與原始圖像一樣的尺寸。其中，N=原始圖像邊長;F=濾波器的邊長;P=添加0的長度;S=濾波器滑動(dòng)距離。但濾波器所提取的只是原始局部圖像，其中輸出深度與使用的濾波器的數(shù)量保持一致。

2. 池化層

與卷積層的濾波器作用相同，池化層同樣有個(gè)可滑動(dòng)的操作窗口，通過窗口的滑動(dòng)來獲得輸入結(jié)果，但這種輸出是在窗口大小的原始信息中提取最大值（最常見的池化有平均池化和最大池化，其中最大池化是最常使用的）為什么是2×2的窗口？因?yàn)樵诔鼗瘜又校@個(gè)比例的窗口是最常用的，而且人工設(shè)置的滑動(dòng)距離也是2。但這樣的池化效果會(huì)有效嗎，畢竟操作過程中，失去了更多的內(nèi)容。根據(jù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)來分析，被檢測(cè)的局部圖片特征，可以判斷圖片的類別。也可以理解成，由于圖像中局部領(lǐng)域具有一定的特征，并利用圖片特征的不變性，即通過向下采樣，來保證圖片的性質(zhì)基本不變。

3. 全連接層

經(jīng)過多輪的卷積層和池化層的處理之后，原始圖像中的信息被抽象成為信息含量更高的特征圖像，也就是輸出圖像。整個(gè)過程，就是卷積層和池化層對(duì)原始信息逐層提取圖像特征的過程。

原始輸入圖是一張28×28大小的圖像，其中卷積層C1有6個(gè)5×5的濾波器，因?yàn)榫矸e層C1輸出6個(gè)大小的特征圖（公式為28-5+1=24，24×24，該數(shù)值代表每條邊的長度）。

然后經(jīng)過池化層S1（我們假設(shè)池化層S1進(jìn)行平均值池化），中間的加偏置（每種特征圖有一個(gè)偏置）和Sigmoid函數(shù)激活操作省略，只是對(duì)卷積和池化過程做闡述。因此，池化層S1輸出的6個(gè)特征圖大小為（12×12）。

接下來，在卷積層C2中，就會(huì)輸入6個(gè)特征圖，但與卷積層C1是不一樣的，因?yàn)榫矸e層C1只有一個(gè)特征圖，而卷積層C2有12個(gè)5×5濾波器，每個(gè)濾波器會(huì)與上一層（即S1層）的6個(gè)特征圖分別做卷積（根據(jù)實(shí)際情況也可以挑選幾種特征圖來做卷積），然后將得出的6個(gè)結(jié)果進(jìn)行求和計(jì)算，進(jìn)而形成一個(gè)新的特征圖。也就是說，卷積層C2有12個(gè)大小為（12-5+1=8，8×8）的特征圖，并進(jìn)入池化層S2。

同樣道理，S2層有12個(gè)大小為（4×4）的特征圖。輸出層把S2層的特征圖變成一個(gè)向量，該向量的長度等于192（12×4×4），并把該向量當(dāng)成一個(gè)輸入點(diǎn)，進(jìn)一步與下面的其它層進(jìn)行全連接和分類等操作。

簡單總結(jié)一下就是，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN），是把一個(gè)原始圖像，經(jīng)過多次卷積和池化后，逐漸轉(zhuǎn)變成一個(gè)向量，然后將該向量與其他網(wǎng)絡(luò)相連接。

（二）圖像分類

我們?cè)趯?duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于圖像進(jìn)行分類時(shí)，通常會(huì)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最后一層，即全連接層的后面接一個(gè)Softmax分類器用于圖像標(biāo)簽的預(yù)測(cè)。所謂的圖像分類就是，通過將圖像集合對(duì)比分析，然后根據(jù)具體圖像特點(diǎn)，進(jìn)行若干個(gè)不同種類的劃分操作，這個(gè)過程被稱作圖像分類。一般的圖像分類方式會(huì)涉及到較為復(fù)雜的函數(shù)計(jì)算，這里不做詳細(xì)說明。

為了對(duì)圖像分類算法進(jìn)行合理性評(píng)估，從2012年起，每年都會(huì)舉辦圖像分類競(jìng)賽。以SIFT和LBP為例，通過對(duì)圖像特征進(jìn)行信息提取，然后將提取結(jié)果應(yīng)用到具體分類器中，在2010年和2011年的競(jìng)賽中，使用這種方法將錯(cuò)誤率控制在26.7%，這是一個(gè)十分了不起的成就。但更令人驚訝的事情還在后面，隨著Alex在2012年的競(jìng)賽中提出AlexNet，通過在圖像分類中應(yīng)用深度學(xué)習(xí)，以創(chuàng)紀(jì)錄的成績?nèi)〉玫谝幻ㄥe(cuò)誤率在16.3%），這個(gè)成績比前一年下降近11個(gè)百分點(diǎn)。從2012年開始，深度學(xué)習(xí)模型在圖像識(shí)別中大展拳腳，逐漸得到更廣泛的認(rèn)可。

（三）物體監(jiān)測(cè)

由于計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的特殊性，使物體監(jiān)測(cè)過程變得十分復(fù)雜。因?yàn)閺挠?jì)算機(jī)的視角出發(fā)，一張圖像，物體會(huì)以多種類型呈現(xiàn)，這就需要對(duì)所有類型的圖像一一進(jìn)行識(shí)別，并單獨(dú)定位，在無形中增加了工作量，而且還不一定能夠保證效果質(zhì)量。目前看來，將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于物體模型檢測(cè)存在以下兩個(gè)問題：一個(gè)是在選擇區(qū)域進(jìn)行分類與總結(jié);另一個(gè)是如何進(jìn)行區(qū)域選擇，因此物體檢測(cè)工作與圖像分類工作相比，其難度可想而知。另外從操作內(nèi)容來看，在實(shí)際解決問題中遇到的步驟流程與圖像分類相比也是復(fù)雜繁瑣，對(duì)模型的要求更高，算法更加深?yuàn)W，標(biāo)準(zhǔn)自然更多。若想在實(shí)踐操作工程中更好的去應(yīng)用，除了要從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)外，還要優(yōu)化模型的流程方法。

三、結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和原理的學(xué)習(xí)，使我們很好的認(rèn)識(shí)了圖像識(shí)別、分類及特征提取。但到目前為止，人們對(duì)深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用還停留在簡單的推理計(jì)算程度，雖然在圖像語音領(lǐng)域取得了一定的成果，但能否完整有效的應(yīng)用在其他領(lǐng)域，還需要我們不斷的研究與探索。

參考文獻(xiàn)

[1]楊風(fēng)光.深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2020，46（04）：40-41.

[2]張順，龔怡宏，王進(jìn)軍.深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及其在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2019，42（03）：453-482.