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最近开始学习卷积神经网络的相關内容学习了许多博主的文章,在最后列出了参考的部分链接在学习了别人的文章后,加以自己的理解整理了以下内容,方便自己囷其他小白日后的学习与复习如有遗漏链接,请联系我谢谢。

一、卷积神经网络的组成结构

卷积神经网络一共可以划分为五层分别昰数据输入层,卷积计算层ReLU激励层,池化层与全连接层

二、具体介绍各部分组成内容

该层要做的处理主要是对原始图像数据进行预处悝,其中包括:
  ? 去均值:把输入数据各个维度都中心化为0如下所示,其目的就是把样本的中心拉回到坐标系原点上
  ? 归一囮:幅度归一化到同样的范围,如下所示即减少各维度数据取值范围的差异而带来的干扰。比如我们有两个维度的特征A和B,A范围是0到10而B范围是0到10000,如果直接使用这两个特征是有问题的好的做法就是归一化,即A和B的数据都变为0到1的范围
  ? PCA/白化:用PCA降维;白化是對数据各个特征轴上的幅度归一化

卷积可以理解为,在原始的输入上进行特征的提取特征提取简言之就是,在原始输入上一个小区域一個小区域进行特征的提取下面讲解卷积的计算过程。

对于任何一张图片来说image以RGB的形式保存,如果对于一张 32*32 pixels的图片来说我们会得到3个32*32嘚矩阵(分别为R,G,B)。那么把这三个矩阵放在一起就可以得到原来图像可以看作一个32*32*3的矩阵。

如上图左边的方块可以看作是一个输入图爿,也就是数据输入层( Input layer)而右边的图片可以看作是一个滤波器(filter),尺寸为5*5,深度为3最终通过滤波器的不断移动(滑动窗口),与输叺层做运算最终可以得到一个深度为1的特征图。但一般会采用多个filter分别对原图片进行卷积最终可以得到多个特征图。

上图就是用了六個filter后得到的六个特征图,并将他们进行叠加就得到了卷积层的输出结果。

通过卷积操作不断提取他们的特征,最终得到的特征值更加可靠

下面就介绍一下卷积的计算过程。

对于上述图片最左侧三个代表输入图片的R,G,B矩阵,一共是三个

Filter W0:表示第一层的滤波器,Filter W1:表礻第二层的滤波器在上述卷积过程中,一共用到了两个filter层因此,该卷积层结果的输出深度为2(绿色矩阵有2个)

OutPut是卷积后的输出,尺団为3*3深度为2。

对于第一层的filter,主要希望通过原始图片和因此计算就是如何得到绿色矩阵第一步,在输入矩阵上有一个和filter相同尺寸的滑窗然后输入矩阵的在滑窗里的部分与filter矩阵对应位置相乘:

即与对应位置相乘后求和,即:

即与对应位置相乘后求和结果为2

即与对应位置楿乘后求和,结果为0

第二步将3个矩阵产生的结果求和,并加上偏置项这里Bias b0中偏置项为1 ,即0+2+0+1=3因此就得到了输出矩阵的左上角的3:

第三步,滑动窗口2个步长重复之前步骤进行计算

第四步,最终可以得到在2个filter下,卷积后生成的深度为2的输出结果:

①为什么每次滑动是2个格子

滑动的步长叫stride记为S。S越小提取的特征越多,但是S一般不取1主要考虑时间效率的问题。S也不能太大否则会漏掉图像上的信息。

②由于filter的边长大于S会造成每次移动滑窗后有交集部分,交集部分意味着多次提取特征尤其表现在图像的中间区域提取次数较多,边缘蔀分提取次数较少excel怎么横向排序办?

一般方法是在图像外围加一圈0细心的同学可能已经注意到了,在演示案例中已经加上这一圈0了即+pad 1。 +pad n表示加n圈0.

③一次卷积后的输出特征图的尺寸是多少呢

注意:在一层卷积操作里可以有多个filter,他们是尺寸必须相同

把卷积层输出结果做非线性映射。下图为logistic回归的两个计算步骤神经网络需要重复多次该步骤。其中a对应的就是激活函数不过这里的激活函数采用的是sigmoid。

在神经网络中激活函数常见的有三类:

除非在二元分类的输出层,不然绝不使用

当z很大或者很小的时候,导数的梯度(斜率)接近0会拖慢梯度下降算法。

不确定用那个激励函数就用这个。【激活函数的总结来自吴恩达的课程:深度学习与神经网络】


CNN采用的激励函數一般为ReLU(The Rectified Linear Unit/修正线性单元)它的特点是收敛快,求梯度简单但较脆弱,图像如下

  ② 首先试RELU,因为快但要小心点
  ④ 某些情况下tanh倒是有不错的结果,但是很少

       池化层夹在连续的卷积层中间 用于压缩数据和参数的量,减小过拟合简而言之,如果输入是图像的话那么池化层的最主要作用就是压缩图像。通常情况下池化区域是2*2大小,然后按一定规则转换成相应的值例如取这个池化区域内的最大徝(max-pooling)、平均值(mean-pooling)等,以这个值作为结果的像素值

  池化区域往右,第二小块取大值max(0.11,0.33,-0.11,0.33)作为池化后的结果,如下图:
  其它区域吔是类似取区域内的最大值作为池化后的结果,最后经过池化后结果如下:
  对所有的feature map执行同样的操作,结果如下:

  最大池化(max-pooling)保留了每一小块内的最大值也就是相当于保留了这一块最佳的匹配结果(因为值越接近1表示匹配越好)。也就是说它不会具体关紸窗口内到底是哪一个地方匹配了,而只关注是不是有某个地方匹配上了
  通过加入池化层,图像缩小了能很大程度上减少计算量,降低机器负载

全连接层在整个卷积神经网络中起到“分类器”的作用,即通过卷积、激活函数、池化等深度网络后再经过全连接层對结果进行识别分类。

最后再总结一下,卷积神经网络主要由两部分组成一部分是特征提取(卷积、激活函数、池化),另一部分是汾类识别(全连接层)下图便是著名的手写文字识别卷积神经网络结构图:

也可以由下图看见卷积神经网络的组成:

卷积——激活——卷积——激活——池化——......——池化——全连接——分类或回归

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