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机器学习实操 第二部分 神经网路和深度学习 第14章 使用卷积神经网络进行深度计算机视觉

内容概要

第14章深入探讨了卷积神经网络（CNNs）及其在计算机视觉中的应用。CNNs受大脑视觉皮层的启发，通过局部感受野和权值共享机制，能够高效地处理图像数据。本章从CNN的基本构建块（如卷积层和池化层）讲起，介绍了多种经典的CNN架构（如LeNet-5、AlexNet、GoogLeNet、ResNet等），并探讨了CNN在目标检测和语义分割等任务中的应用。此外，还介绍了如何使用Keras实现CNN模型，以及如何利用预训练模型进行迁移学习。

主要内容

1. 卷积层和池化层

   • 卷积层：通过卷积操作提取图像的局部特征。卷积层使用多个滤波器（filters）生成特征图（feature maps），每个滤波器负责检测图像中的特定模式。
   • 池化层：用于降低特征图的空间维度，减少计算量和内存使用，同时引入对小平移的不变性。常见的池化方法包括最大池化（max pooling）和平均池化（average pooling）。

2. CNN架构

   • LeNet-5：由Yann LeCun在1998年提出，用于手写数字识别。它包含交替的卷积层和池化层，以及全连接层。
   • AlexNet：在2012年ImageNet挑战赛中获胜，引入了更大的网络深度和 Dropout 正则化。
   • GoogLeNet：通过引入Inception模块，实现了更深的网络结构，同时减少了参数数量。
   • ResNet：通过残差连接（skip connections）解决了深层网络的梯度消失问题，使得训练更深的网络成为可能。
   • 其他架构：包括Xception、ResNeXt、DenseNet、MobileNet、CSPNet和EfficientNet等，每种架构都有其独特的设计和优势。

3. 目标检测和语义分割

   • 目标检测：不仅需要对图像中的物体进行分类，还需要定位物体的位置。常见的方法包括滑动窗口法和基于区域的CNN（R-CNN）。
   • 语义分割：对图像中的每个像素进行分类，确定其所属的物体类别。全卷积网络（FCN）和U-Net等架构在这一任务中表现出色。

4. 迁移学习

   • 使用预训练的CNN模型进行迁移学习，通过在新的数据集上微调模型的高层，可以快速适应新的图像分类任务。

5. 数据增强

   • 数据增强技术通过生成训练数据的变体（如旋转、翻转、缩放等）来增加训练集的多样性，减少过拟合的风险。

关键代码和算法

14.1 使用Keras实现ResNet-34

DefaultConv2D = partial(tf.keras.layers.Conv2D, kernel_size=3, strides=1, padding="same", kernel_initializer="he_normal", use_bias=False)class ResidualUnit(tf.keras.layers.Layer):def __init__(self, filters, strides=1, activation="relu", **kwargs):super().__init__(**kwargs)self.activation = tf.keras.activations.get(activation)self.main_layers = [DefaultConv2D(filters, strides=strides),tf.keras.layers.BatchNormalization(),self.activation,DefaultConv2D(filters),tf.keras.layers.BatchNormalization()]self.skip_layers = []if strides > 1:self.skip_layers = [DefaultConv2D(filters, kernel_size=1, strides=strides),tf.keras.layers.BatchNormalization()]def call(self, inputs):Z = inputsfor layer in self.main_layers:Z = layer(Z)skip_Z = inputsfor layer in self.skip_layers:skip_Z = layer(skip_Z)return self.activation(Z + skip_Z)model = tf.keras.Sequential([DefaultConv2D(64, kernel_size=7, strides=2, input_shape=[224, 224, 3]),tf.keras.layers.BatchNormalization(),tf.keras.layers.Activation("relu"),tf.keras.layers.MaxPool2D(pool_size=3, strides=2, padding="same"),
])prev_filters = 64
for filters in [64] * 3 + [128] * 4 + [256] * 6 + [512] * 3:strides = 1 if filters == prev_filters else 2model.add(ResidualUnit(filters, strides=strides))prev_filters = filtersmodel.add(tf.keras.layers.GlobalAvgPool2D())
model.add(tf.keras.layers.Flatten())
model.add(tf.keras.layers.Dense(10, activation="softmax"))model.compile(loss="sparse_categorical_crossentropy",optimizer=tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.1),metrics=["accuracy"])

精彩语录

1. 中文：卷积神经网络（CNNs）在图像识别任务中表现出色，因为它们能够利用图像的局部相关性。
   英文原文：CNNs are particularly well suited for image recognition tasks because they can leverage the local correlations in images.
   解释：强调了CNNs在图像处理中的优势。

2. 中文：ResNet通过引入残差连接，解决了深层网络的梯度消失问题，使得训练更深的网络成为可能。
   英文原文：ResNet introduced residual connections to address the vanishing gradients problem in deep networks, making it possible to train much deeper networks.
   解释：介绍了ResNet的关键创新。

3. 中文：数据增强技术通过生成训练数据的变体，有效增加了训练集的多样性，减少了过拟合的风险。
   英文原文：Data augmentation techniques effectively increase the diversity of the training set by generating variants of the training data, reducing the risk of overfitting.
   解释：解释了数据增强的作用。

4. 中文：全卷积网络（FCN）通过将全连接层替换为卷积层，能够处理任意大小的输入图像。
   英文原文：Fully Convolutional Networks (FCNs) replace dense layers with convolutional layers, allowing them to process images of any size.
   解释：介绍了FCN的特点。

5. 中文：迁移学习通过利用预训练模型的高层特征，能够快速适应新的图像分类任务。
   英文原文：Transfer learning leverages the high-level features learned by pretrained models to quickly adapt to new image classification tasks.
   解释：强调了迁移学习的优势。

总结

通过本章的学习，读者将掌握卷积神经网络（CNNs）的基本原理和实现方法。内容涵盖了CNN的构建块、经典架构、目标检测和语义分割等高级应用，以及如何使用Keras实现CNN模型和进行迁移学习。这些知识将帮助读者在计算机视觉领域构建高效、准确的模型。