如何通过人工神经网络实现图像识别?

IT新观点 2022-07-14 16:54:55

人工神经网络(Artificial Neural Networks)(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(Error Back Propagation)算法的多层前馈网络(Multiple-Layer Feedforward Network)(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。

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