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CV深度学习

news 来源：原创 2025/6/23 20:23:10

🌟 第一部分：深度学习简介（Deep Learning Overview）

什么是深度学习（Deep Learning）？

定义：深度学习是机器学习（Machine Learning）中的一个分支，它利用**多层的人工神经网络（Neural Networks）**来模拟人脑的处理方式，自动地从大量数据中提取特征。
“深度”含义：指的是网络中的隐藏层（hidden layers）数量多，比如 5 层、10 层甚至上百层，能够从数据中提取越来越抽象的表示（representation）。

🤖 神经网络的基本单元：神经元（Neuron）

单个神经元模型（Perceptron）：

输入：x1,x2,…,xn
权重：w1,w2,…,wn
偏置：b
激活函数：f

输出公式：

y=f(w1x1+w2x2+⋯+wnxn+b)

通俗解释：就像一个“打分器”，每个输入有个“重要程度”（权重），加起来后决定输出。

🔢 多层感知机（MLP：Multilayer Perceptron）

特点：

输入层：接收原始数据。
隐藏层：提取中间特征（可能有多个）。
输出层：给出预测结果。

为什么要多层？

一层感知机只能解决线性可分问题。
多层网络可以学习非线性关系（比如图像识别、语言理解等复杂任务）。

📐 激活函数（Activation Functions）

激活函数的作用是引入非线性，让神经网络有能力逼近任何复杂函数。

常见的激活函数：

🔎 通俗理解：

ReLU 就像一个门：正的放行，负的拦住。
Sigmoid/Tanh 是缓慢上升的“S”形曲线。

🔁 反向传播（Backpropagation）

是深度学习中最核心的算法之一，用来训练网络。

基本思想：

前向传播：计算输出值。
计算损失（Loss）：衡量预测与真实差距。
反向传播误差：按链式法则传播误差信号，计算每个权重对误差的“责任”。
梯度下降更新参数：调整权重让误差变小。

关键公式：

🔎 通俗理解：像是在“爬山”找到最优值，反向传播告诉你往哪个方向走。

📊 损失函数（Loss Function）

用于量化预测结果与实际标签之间的差异。

常见损失函数：

类型	名称	适用任务
回归	MSE（均方误差）	连续值预测
分类	Cross-Entropy（交叉熵）	多类分类问题

交叉熵损失（分类）公式：

🔎 通俗理解：交叉熵越小，代表预测结果越“接近”真实分类。

🚀 优化算法（Optimizers）

用于在训练过程中寻找最优参数组合。

常见优化器：

SGD（随机梯度下降）：每次用一小批数据更新。
Momentum：记住上一次的梯度方向，让更新更稳定。
Adam：综合考虑过去梯度和梯度变化，是最常用的优化器之一。

🔎 类比：

SGD 像走一步看一步；
Momentum 像滑滑梯带动；
Adam 像有记忆和预判能力的走路方式。

🧱 卷积神经网络基础（CNN Basics）

虽然经典 CNN 架构我之前已经讲过了，这里再从基本原理过一遍：

为什么用 CNN？

图像有空间结构，CNN 可以利用相邻像素之间的关系。
参数量少，计算效率高。

核心构成：

卷积层（Convolutional Layer）：提取局部特征。
激活层（ReLU）：增加非线性能力。
池化层（Pooling）：减少计算量、增强位置不变性。
全连接层（Fully Connected Layer）：整合特征，输出结果。

🧪 模型训练过程概述

完整训练流程是：

数据加载（图像/标签）；
网络前向传播（输出预测）；
计算损失（loss）；
反向传播误差；
更新权重；
重复上述过程直到收敛。

✅ CNN 架构总览

经典 CNN 架构的发展是逐步加深模型、提升准确率、降低计算成本的过程，关键节点如下：

年代	网络名称	主要贡献
1998	LeNet-5	最早成功用于字符识别的 CNN
2012	AlexNet	使用 ReLU，开启深度学习热潮
2014	VGG	简单堆叠卷积，体现深层 CNN 的威力
2014	GoogLeNet/Inception	多尺度特征提取，计算效率高
2015	ResNet	引入残差连接，成功训练超深网络
2019	EfficientNet	自动结构搜索 + 多维缩放
2020	ViT	首次用 Transformer 替代 CNN
2022	ConvNeXt	用 ViT 的理念改造 CNN 架构

🧠 LeNet-5（1998）

应用背景：手写数字识别（如邮政编码）
结构特点：
- 输入：32x32 灰度图
- Conv (5x5) → Pool (2x2) → Conv (5x5) → Pool → FC → FC → 输出
层数少，总参数约 6 万
创新点：提出了 CNN 的基本构成理念

💡 类比：像最早的自动驾驶车辆原型——功能基础但成功运行！

🧠 AlexNet（2012）

ImageNet 比赛冠军，误差从 26% 降到 16%
输入图像：224x224x3
网络结构：
- 5 个卷积层（ReLU 激活）
- 最大池化（Max Pooling）
- 3 个全连接层
- 最终 softmax 输出 1000 类
技术突破：
- 使用 GPU 训练（提升 10 倍速度）
- 引入 ReLU（解决梯度消失）
- 使用 Dropout（防止过拟合）
- 数据增强（翻转、裁剪）

💡 理解技巧：AlexNet 是 CNN 上了“高速公路”的第一辆法拉利！

🧠 VGG（2014）

核心思想：用多个 3x3 卷积堆叠替代大卷积核
结构例子（VGG-16）：
- 13 个卷积层（3x3）+ 3 个全连接层
- 所有卷积步长 stride=1，池化步长=2
通俗解释：
- 比 7x7 卷积更节省参数、提高非线性表达能力
- 堆叠多个 3x3 就像把一个大窗户分成了多个小窗格，便于捕捉细节

💡 注意：VGG 参数非常多（1.38 亿），训练和推理速度慢，适合作为特征提取器（比如迁移学习）。

🧠 GoogLeNet（2014）

核心思想：Inception 模块 + 全局平均池化（GAP）
Inception 模块：
- 并行使用多个卷积核（1x1, 3x3, 5x5）提取多尺度信息
- 再用 1x1 卷积做降维（减少通道数）
网络深度：22 层（比 VGG 还深）
参数只有 500 万（远少于 VGG）

💡 通俗比喻：Inception 像同时请多个专家用不同视角看图，再综合他们的意见。

🧠 ResNet（2015）

革命性创新：Residual Connection（残差连接）
- 标准卷积堆叠为：x → F(x) → 输出
- 残差连接为：x → F(x) + x → 输出
- 本质：让网络“至少学不会更差”的变化
解决深层网络退化问题，成功训练 152 层
残差块两种类型：
- 简单加法连接
- 投影连接（用于维度对不上）

💡 生活类比：普通人学习新知识是不断忘记和重学，ResNet 会保留原有知识再叠加学习，避免“越学越差”。

🧠 EfficientNet（2019）

挑战：CNN 的效率和准确率之间存在平衡
核心方法：Compound Scaling
- 同时放大：宽度（通道）、深度（层数）、分辨率（图片大小）
- 比如 EfficientNet-B0 到 B7，不是单一加深
结构搜索：用 NAS（神经架构搜索）自动发现最优结构

💡 比喻：EfficientNet 就像精打细算的建筑师，在预算内盖出功能最强的房子！

🧠 Vision Transformer (ViT)

首次用 Transformer 架构做图像分类
核心做法：
- 将图片切成 16x16 patch（共 14x14=196 个）
- 每个 patch 展平后加上位置编码，送入标准 Transformer 编码器
- 使用 [CLS] token 做分类预测
优点：
- 更强的建模能力
- 训练速度快
缺点：
- 对数据量敏感，训练依赖大规模数据

💡 形象理解：CNN 看图像是“局部扫一遍”，Transformer 是“把图像当句子来读”。

🧠 ConvNeXt（2022）

用 ViT 的理念优化 CNN 架构
关键改进：
- 用更大卷积核（7x7 depthwise）
- LayerNorm 替代 BatchNorm
- GELU 激活函数替代 ReLU
- 移除冗余的层和分支
结果：
- 在 ImageNet 上表现比肩 ViT
- 保留 CNN 的高效推理特点