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bp神经网络图像特征提取,卷积神经网络特征提取

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机器学习神经网络特征提取方法有哪些

 

谷歌人工智能写作项目:神经网络伪原创

 

 

如何利用卷积神经网络提取图像特征

 

写作猫

 

卷积神经网络有以下几种应用可供研究:1、基于卷积网络的形状识别物体的形状是人的视觉系统分析和识别物体的基础,几何形状是物体的本质特征的表现,并具有平移、缩放和旋转不变等特点,所以在模式识别领域,对于形状的分析和识别具有十分重要的意义,而二维图像作为三维图像的特例以及组成部分,因此二维图像的识别是三维图像识别的基础。

 

2、基于卷积网络的人脸检测卷积神经网络与传统的人脸检测方法不同,它是通过直接作用于输入样本,用样本来训练网络并最终实现检测任务的。

 

它是非参数型的人脸检测方法,可以省去传统方法中建模、参数估计以及参数检验、重建模型等的一系列复杂过程。本文针对图像中任意大小、位置、姿势、方向、肤色、面部表情和光照条件的人脸。

 

3、文字识别系统在经典的模式识别中,一般是事先提取特征。提取诸多特征后,要对这些特征进行相关性分析,找到最能代表字符的特征,去掉对分类无关和自相关的特征。

 

然而,这些特征的提取太过依赖人的经验和主观意识,提取到的特征的不同对分类性能影响很大,甚至提取的特征的顺序也会影响最后的分类性能。同时,图像预处理的好坏也会影响到提取的特征。

 

如何通过人工神经网络实现图像识别

 

 

人工神经网络(ArtificialNeuralNetworks)(简称ANN)系统从20世纪40年代末诞生至今仅短短半个多世纪,但由于他具有信息的分布存储、并行处理以及自学习能力等优点,已经在信息处理、模式识别、智能控制及系统建模等领域得到越来越广泛的应用。

 

尤其是基于误差反向传播(ErrorBackPropagation)算法的多层前馈网络(Multiple-LayerFeedforwardNetwork)(简称BP网络),可以以任意精度逼近任意的连续函数,所以广泛应用于非线性建模、函数逼近、模式分类等方面。

 

目标识别是模式识别领域的一项传统的课题,这是因为目标识别不是一个孤立的问题,而是模式识别领域中大多数课题都会遇到的基本问题,并且在不同的课题中,由于具体的条件不同,解决的方法也不尽相同,因而目标识别的研究仍具有理论和实践意义。

 

这里讨论的是将要识别的目标物体用成像头(红外或可见光等)摄入后形成的图像信号序列送入计算机,用神经网络识别图像的问题。

 

一、BP神经网络BP网络是采用Widrow-Hoff学习算法和非线性可微转移函数的多层网络。一个典型的BP网络采用的是梯度下降算法,也就是Widrow-Hoff算法所规定的。

 

backpropagation就是指的为非线性多层网络计算梯度的方法。一个典型的BP网络结构如图所示。我们将它用向量图表示如下图所示。

 

其中:对于第k个模式对,输出层单元的j的加权输入为该单元的实际输出为而隐含层单元i的加权输入为该单元的实际输出为函数f为可微分递减函数其算法描述如下:(1)初始化网络及学习参数,如设置网络初始权矩阵、学习因子等。

 

(2)提供训练模式,训练网络,直到满足学习要求。(3)前向传播过程:对给定训练模式输入,计算网络的输出模式,并与期望模式比较,若有误差,则执行(4);否则,返回(2)。

 

(4)后向传播过程:a.计算同一层单元的误差;b.修正权值和阈值;c.返回(2)二、BP网络隐层个数的选择对于含有一个隐层的三层BP网络可以实现输入到输出的任何非线性映射。

 

增加网络隐层数可以降低误差,提高精度,但同时也使网络复杂化,增加网络的训练时间。误差精度的提高也可以通过增加隐层结点数来实现。一般情况下,应优先考虑增加隐含层的结点数。

 

三、隐含层神经元个数的选择当用神经网络实现网络映射时,隐含层神经元个数直接影响着神经网络的学习能力和归纳能力。

 

隐含层神经元数目较少时,网络每次学习的时间较短,但有可能因为学习不足导致网络无法记住全部学习内容;隐含层神经元数目较大时,学习能力增强,网络每次学习的时间较长,网络的存储容量随之变大,导致网络对未知输入的归纳能力下降,因为对隐含层神经元个数的选择尚无理论上的指导,一般凭经验确定。

 

四、神经网络图像识别系统人工神经网络方法实现模式识别,可处理一些环境信息十分复杂,背景知识不清楚,推理规则不明确的问题,允许样品有较大的缺损、畸变,神经网络方法的缺点是其模型在不断丰富完善中,目前能识别的模式类还不够多,神经网络方法允许样品有较大的缺损和畸变,其运行速度快,自适应性能好,具有较高的分辨率。

 

神经网络的图像识别系统是神经网络模式识别系统的一种,原理是一致的。一般神经网络图像识别系统由预处理,特征提取和神经网络分类器组成。预处理就是将原始数据中的无用信息删除,平滑,二值化和进行幅度归一化等。

 

神经网络图像识别系统中的特征提取部分不一定存在,这样就分为两大类:①有特征提取部分的:这一类系统实际上是传统方法与神经网络方法技术的结合,这种方法可以充分利用人的经验来获取模式特征以及神经网络分类能力来识别目标图像。

 

特征提取必须能反应整个图像的特征。但它的抗干扰能力不如第2类。

 

②无特征提取部分的:省去特征抽取,整副图像直接作为神经网络的输入,这种方式下,系统的神经网络结构的复杂度大大增加了,输入模式维数的增加导致了网络规模的庞大。

 

此外,神经网络结构需要完全自己消除模式变形的影响。但是网络的抗干扰性能好,识别率高。当BP网用于分类时,首先要选择各类的样本进行训练,每类样本的个数要近似相等。

 

其原因在于一方面防止训练后网络对样本多的类别响应过于敏感,而对样本数少的类别不敏感。另一方面可以大幅度提高训练速度,避免网络陷入局部最小点。

 

由于BP网络不具有不变识别的能力,所以要使网络对模式的平移、旋转、伸缩具有不变性,要尽可能选择各种可能情况的样本。

 

例如要选择不同姿态、不同方位、不同角度、不同背景等有代表性的样本,这样可以保证网络有较高的识别率。

 

构造神经网络分类器首先要选择适当的网络结构:神经网络分类器的输入就是图像的特征向量;神经网络分类器的输出节点应该是类别数。隐层数要选好,每层神经元数要合适,目前有很多采用一层隐层的网络结构。

 

然后要选择适当的学习算法,这样才会有很好的识别效果。

 

在学习阶段应该用大量的样本进行训练学习,通过样本的大量学习对神经网络的各层网络的连接权值进行修正,使其对样本有正确的识别结果,这就像人记数字一样,网络中的神经元就像是人脑细胞,权值的改变就像是人脑细胞的相互作用的改变,神经网络在样本学习中就像人记数字一样,学习样本时的网络权值调整就相当于人记住各个数字的形象,网络权值就是网络记住的内容,网络学习阶段就像人由不认识数字到认识数字反复学习过程是一样的。

 

神经网络是按整个特征向量的整体来记忆图像的,只要大多数特征符合曾学习过的样本就可识别为同一类别,所以当样本存在较大噪声时神经网络分类器仍可正确识别。

 

在图像识别阶段,只要将图像的点阵向量作为神经网络分类器的输入,经过网络的计算,分类器的输出就是识别结果。五、仿真实验1、实验对象本实验用MATLAB完成了对神经网络的训练和图像识别模拟。

 

从实验数据库中选择0~9这十个数字的BMP格式的目标图像。图像大小为16×8像素,每个目标图像分别加10%、20%、30%、40%、50%大小的随机噪声,共产生60个图像样本。

 

将样本分为两个部分,一部分用于训练,另一部分用于测试。实验中用于训练的样本为40个,用于测试的样本为20个。随机噪声调用函数randn(m,n)产生。

 

2、网络结构本试验采用三层的BP网络,输入层神经元个数等于样本图像的象素个数16×8个。隐含层选24个神经元,这是在试验中试出的较理想的隐层结点数。

 

输出层神经元个数就是要识别的模式数目,此例中有10个模式,所以输出层神经元选择10个,10个神经元与10个模式一一对应。

 

3、基于MATLAB语言的网络训练与仿真建立并初始化网络% ================S1 = 24;% 隐层神经元数目S1 选为24[R,Q] = size(numdata);[S2,Q] = size(targets);F = numdata;P=double(F);net = newff(minmax(P),[S1 S2],{‘logsig”logsig’},’traingda’,’learngdm’)这里numdata为训练样本矩阵,大小为128×40,targets为对应的目标输出矩阵,大小为10×40。

 

newff(PR,[S1S2…SN],{TF1TF2…TFN},BTF,BLF,PF)为MATLAB函数库中建立一个N层前向BP网络的函数,函数的自变量PR表示网络输入矢量取值范围的矩阵[Pminmax];S1~SN为各层神经元的个数;TF1~TFN用于指定各层神经元的传递函数;BTF用于指定网络的训练函数;BLF用于指定权值和阀值的学习函数;PF用于指定网络的性能函数,缺省值为‘mse’。

 

设置训练参数net.performFcn = ‘sse’; %平方和误差性能函数 = 0.1; %平方和误差目标 = 20; %进程显示频率net.trainParam.epochs = 5000;%最大训练步数 = 0.95; %动量常数网络训练net=init(net);%初始化网络[net,tr] = train(net,P,T);%网络训练对训练好的网络进行仿真D=sim(net,P);A = sim(net,B);B为测试样本向量集,128×20的点阵。

 

D为网络对训练样本的识别结果,A为测试样本的网络识别结果。实验结果表明:网络对训练样本和对测试样本的识别率均为100%。如图为64579五个数字添加50%随机噪声后网络的识别结果。

 

六、总结从上述的试验中已经可以看出,采用神经网络识别是切实可行的,给出的例子只是简单的数字识别实验,要想在网络模式下识别复杂的目标图像则需要降低网络规模,增加识别能力,原理是一样的。

 

哪些神经网络可以用在图像特征提取上

 

BP神经网络、离散Hopfield网络、LVQ神经网络等等都可以。

 

1.BP(BackPropagation)神经网络是1986年由Rumelhart和McCelland为首的科学家小组提出,是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络,是目前应用最广泛的神经网络模型之一。

 

BP网络能学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系,而无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程。它的学习规则是使用最速下降法,通过反向传播来不断调整网络的权值和阈值,使网络的误差平方和最小。

 

BP神经网络模型拓扑结构包括输入层(input)、隐层(hiddenlayer)和输出层(outputlayer)。

 

2.Hopfiled神经网络是一种递归神经网络,由约翰·霍普菲尔德在1982年发明。Hopfield网络是一种结合存储系统和二元系统的神经网络。

 

它保证了向局部极小的收敛,但收敛到错误的局部极小值(localminimum),而非全局极小(globalminimum)的情况也可能发生。Hopfiled网络也提供了模拟人类记忆的模型。

 

3.LVQ神经网络由三层组成,即输入层、隐含层和输出层,网络在输入层与隐含层间为完全连接,而在隐含层与输出层间为部分连接,每个输出层神经元与隐含层神经元的不同组相连接。

 

隐含层和输出层神经元之间的连接权值固定为1。输入层和隐含层神经元间连接的权值建立参考矢量的分量(对每个隐含神经元指定一个参考矢量)。在网络训练过程中,这些权值被修改。

 

隐含层神经元(又称为Kohnen神经元)和输出神经元都具有二进制输出值。

 

当某个输入模式被送至网络时,参考矢量最接近输入模式的隐含神经元因获得激发而赢得竞争,因而允许它产生一个“1”,而其它隐含层神经元都被迫产生“0”。

 

与包含获胜神经元的隐含层神经元组相连接的输出神经元也发出“1”,而其它输出神经元均发出“0”。产生“1”的输出神经元给出输入模式的类,由此可见,每个输出神经元被用于表示不同的类。

 

BP人工神经网络方法

 

(一)方法原理人工神经网络是由大量的类似人脑神经元的简单处理单元广泛地相互连接而成的复杂的网络系统。理论和实践表明,在信息处理方面,神经网络方法比传统模式识别方法更具有优势。

 

人工神经元是神经网络的基本处理单元,其接收的信息为x1,x2,…,xn,而ωij表示第i个神经元到第j个神经元的连接强度或称权重。

 

神经元的输入是接收信息X=(x1,x2,…,xn)与权重W={ωij}的点积,将输入与设定的某一阈值作比较,再经过某种神经元激活函数f的作用,便得到该神经元的输出Oi。

 

常见的激活函数为Sigmoid型。

 

人工神经元的输入与输出的关系为地球物理勘探概论式中:xi为第i个输入元素,即n维输入矢量X的第i个分量;ωi为第i个输入与处理单元间的互联权重;θ为处理单元的内部阈值;y为处理单元的输出。

 

常用的人工神经网络是BP网络,它由输入层、隐含层和输出层三部分组成。BP算法是一种有监督的模式识别方法,包括学习和识别两部分,其中学习过程又可分为正向传播和反向传播两部分。

 

正向传播开始时,对所有的连接权值置随机数作为初值,选取模式集的任一模式作为输入,转向隐含层处理,并在输出层得到该模式对应的输出值。每一层神经元状态只影响下一层神经元状态。

 

此时,输出值一般与期望值存在较大的误差,需要通过误差反向传递过程,计算模式的各层神经元权值的变化量。这个过程不断重复,直至完成对该模式集所有模式的计算,产生这一轮训练值的变化量Δωij。

 

在修正网络中各种神经元的权值后,网络重新按照正向传播方式得到输出。实际输出值与期望值之间的误差可以导致新一轮的权值修正。正向传播与反向传播过程循环往复,直到网络收敛,得到网络收敛后的互联权值和阈值。

 

(二)BP神经网络计算步骤(1)初始化连接权值和阈值为一小的随机值,即W(0)=任意值,θ(0)=任意值。(2)输入一个样本X。

 

(3)正向传播,计算实际输出,即根据输入样本值、互联权值和阈值,计算样本的实际输出。

 

其中输入层的输出等于输入样本值,隐含层和输出层的输入为地球物理勘探概论输出为地球物理勘探概论式中:f为阈值逻辑函数,一般取Sigmoid函数,即地球物理勘探概论式中:θj表示阈值或偏置;θ0的作用是调节Sigmoid函数的形状。

 

较小的θ0将使Sigmoid函数逼近于阈值逻辑单元的特征,较大的θ0将导致Sigmoid函数变平缓,一般取θ0=1。

 

(4)计算实际输出与理想输出的误差地球物理勘探概论式中:tpk为理想输出;Opk为实际输出;p为样本号;k为输出节点号。

 

(5)误差反向传播,修改权值地球物理勘探概论式中:地球物理勘探概论地球物理勘探概论(6)判断收敛。若误差小于给定值,则结束,否则转向步骤(2)。

 

(三)塔北雅克拉地区BP神经网络预测实例以塔北雅克拉地区S4井为已知样本,取氧化还原电位,放射性元素Rn、Th、Tc、U、K和地震反射构造面等7个特征为识别的依据。

 

构造面反映了局部构造的起伏变化,其局部隆起部位应是油气运移和富集的有利部位,它可以作为判断含油气性的诸种因素之一。

 

在该地区投入了高精度重磁、土壤微磁、频谱激电等多种方法,一些参数未入选为判别的特征参数,是因为某些参数是相关的。

 

在使用神经网络方法判别之前,还采用K-L变换(Karhaem-Loeve)来分析和提取特征。S4井位于测区西南部5线25点,是区内唯一已知井。

 

该井在5390.6m的侏罗系地层获得40.6m厚的油气层,在5482m深的震旦系地层中获58m厚的油气层。

 

取S4井周围9个点,即4~6线的23~25点作为已知油气的训练样本;由于区内没有未见油的钻井,只好根据地质资料分析,选取14~16线的55~57点作为非油气的训练样本。

 

BP网络学习迭代17174次,总误差为0.0001,学习效果相当满意。以学习后的网络进行识别,得出结果如图6-2-4所示。

 

图6-2-4塔北雅克拉地区BP神经网络聚类结果(据刘天佑等,1997)由图6-2-4可见,由预测值大于0.9可得5个大封闭圈远景区,其中测区南部①号远景区对应着已知油井S4井;②、③号油气远景区位于地震勘探所查明的托库1、2号构造,该两个构造位于沙雅隆起的东段,其西段即为1984年钻遇高产油气流的Sch2井,应是含油气性好的远景区;④、⑤号远景区位于大涝坝构造,是yh油田的组成部分。

 

卷积神经网络每层提取的特征是什幺样的

 

卷积神经网络是一个多层的神经网络,每层由多个二维平面组成,而每个平面由多个独立神经元组成。

 

图:卷积神经网络的概念示范:输入图像通过和三个可训练的滤波器和可加偏置进行卷积,滤波过程如图一,卷积后在C1层产生三个特征映射图,然后特征映射图中每组的四个像素再进行求和,加权值,加偏置,通过一个Sigmoid函数得到三个S2层的特征映射图。

 

这些映射图再进过滤波得到C3层。这个层级结构再和S2一样产生S4。最终,这些像素值被光栅化,并连接成一个向量输入到传统的神经网络,得到输出。

 

一般地,C层为特征提取层,每个神经元的输入与前一层的局部感受野相连,并提取该局部的特征,一旦该局部特征被提取后,它与其他特征间的位置关系也随之确定下来;S层是特征映射层,网络的每个计算层由多个特征映射组成,每个特征映射为一个平面,平面上所有神经元的权值相等。

 

特征映射结构采用影响函数核小的sigmoid函数作为卷积网络的激活函数,使得特征映射具有位移不变性。此外,由于一个映射面上的神经元共享权值,因而减少了网络自由参数的个数,降低了网络参数选择的复杂度。

 

卷积神经网络中的每一个特征提取层(C-层)都紧跟着一个用来求局部平均与二次提取的计算层(S-层),这种特有的两次特征提取结构使网络在识别时对输入样本有较高的畸变容忍能力。

 

深度神经网络具体的工作流程是什幺样的?

 

第一,深度神经网络不是黑盒,个人电脑开机直到神经网络运行在内存中的每一比特的变化都是可以很细微的观察的。没有任何神秘力量,没有超出科学解释的现象发生。

 

第二,深度神经网络的工作方式是基于传统的电脑架构之上的,就是数据+算法。但人们确实从中窥探到了一种全新的电子大脑方式。所以目前有研究提炼一些常用神经网络算法加速硬件。微软等巨头则在开发量子计算。

 

第三,深度神经网络是一个很初级的特征自动提取器。说初级因为简单粗暴。以前为了节约算力特征关键模型都是人工亲自设定。而现在这部分工作随着算力的提高可以自动化。

 

所以从某种意义上来说深度神经网络也是一种自动编程机,但和人们相比,一点点小小的自动化都需要很多很多的计算力支持,这一点也不重要,重要的是,它能工作(手动英文)。那幺深度神经网络究竟是什幺呢?

 

它是一个能迭代更新自己的特征提取算法。现在这个算法可是像全自动高级工厂,数据往里一丢,不得了!整个工厂里面所有机器都动了起来。没见过的小伙伴当场就被吓呆瓜了,用流行的话说叫懵住。

 

几千只机械手把数据搬来搬去,拿出魔方一样的盒子装来装去又倒出来。整个场面就叫一个震撼。算法运行规模也更大了。

 

关于卷积神经网络对一维信号的特征提取问题

 

你好,对信号的特征提取在数学上看其实就是做一个滤波的运算,实际上都是通过卷积来实现的。

 

下面是一个matlab的实现:functionr=my_conv(a,b)m=length(a);n=length(b);r=zeros(1,m+n-1);fork=1:mc=a(k)*b;d=r(1,k:k+n-1);d=d+c;r(1,k:k+n-1)=d;end。

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