Сверточные нейросети: что это и для чего они нужны?

Главное

• Сверточные нейронные сети (Convolutional Neural Networks, CNN) — особые типы нейронных сетей, которые помогают компьютерам видеть и понимать изображения и видео. 
• Такие сети имеют несколько слоев, называемых сверточными. Они позволяют CNN изучать сложные особенности и делать более точные предсказания о содержимом визуальных материалов.
• Сверточные нейросети применяются в том числе для распознавания лиц, автопилотирования, медицинского прототипирования и обработки естественного языка. 

Как устроены сверточные нейросети?

CNN работают, имитируя человеческий мозг, и используют наборы правил, которые помогают компьютеру находить особенности в изображениях, понимать и интерпретировать информацию. 

Каждый слой такой сети обрабатывает данные и направляет выявленные особенности следующему слою для дальнейшей обработки. В них используются фильтры, которые помогают выделить важные особенности, например края или формы объектов на изображении.

Когда к визуальному материалу применяются фильтры, мы получаем свернутое изображение. Затем CNN его анализирует и выявляет важные особенности. Этот процесс называется извлечением признаков.

Помимо сверточных слоев, CNN включают:

• слои пулинга, которые уменьшают размер изображения, чтобы сеть могла работать быстрее и лучше обобщать данные;
• слои нормализации, которые помогают предотвратить переобучение и улучшить производительность сети;
• солносвязные слои, которые используются для классификации.

Как они работают?

Сверточные нейронные сети работают следующим образом:

• входные данные, такие как изображения или видео, поступают на входной слой;
• сверточные слои извлекают различные признаки из входных данных. Они используют фильтры для обнаружения границ, форм, текстур и других характеристик;
• после каждого сверточного слоя применяется функция активации ReLU. Она добавляет нелинейность и помогает улучшить производительность сети;
• далее следует слой пулинга. Он уменьшает размерность карт признаков, выбирая наиболее важные значения из каждой области;
• полносвязные слои принимают выходные данные из слоя пулинга и используют набор весов для классификации или предсказания. Они объединяют выделенные признаки и принимают окончательное решение.

Пример выполнения задачи

Предположим, сверточной нейронной сети необходимо классифицировать изображения кошек и собак. Операция будет проведена по следующему алгоритму:

• входной слой: получает цветные изображения собаки или кошки в формате RGB, где каждый пиксель представлен значениями интенсивности красного, зеленого и синего цветовых каналов;
• сверточный слой: применяет фильтры к изображению, чтобы выделить характеристики, например края, углы и формы;
• слой ReLU: добавляет нелинейность, применяя функцию активации ReLU к выходу сверточного слоя;
• слой пулинга: Уменьшает размерность характеристик, выбирая максимальные значения в каждом участке карты признаков;
• повторение слоев: множество сверточных и пулинговых слоев объединяются для извлечения все более сложных характеристик из входного изображения;
• слой разглаживания: преобразует выход предыдущего слоя в одномерный вектор, представляющий все характеристики;
• полносвязный слой: принимает разглаженный выход и применяет веса для классификации изображения как собаки или кошки.

Сверточная нейросеть учится на примерах с изображениями, которые уже имеют ярлыки, указывающие, что на них изображено. В процессе обучения вес фильтров и полносвязных слоев изменяется, чтобы снизить вероятность ошибок между предсказаниями сети и правильными ответами.

Когда обучение закончено, CNN может точно определить, что изображено на новых, еще не знакомых, изображениях кошек и собак. Она использует полученные знания о признаках и шаблонах, чтобы принять правильное решение о классификации.

Какие существуют типы сверточных нейронных сетей?

• традиционные CNN, также известные как «обычные», состоят из серии сверточных и субдискретизирующих слоев, за которыми следуют один или несколько полносвязных слоев. Каждый сверточный слой в такой сети выполняет свертки с использованием обучаемых фильтров для извлечения признаков из входного изображения. Примером традиционной CNN является архитектура Lenet-5, которая была одной из первых успешных сверточных нейронных сетей для распознавания рукописных цифр. Она состоит из двух наборов сверточных и субдискретизирующих слоев, за которыми следуют два полносвязных слоя. Архитектура Lenet-5 продемонстрировала эффективность CNN в идентификации изображений, и они стали широко применяться в области компьютерного зрения;
• рекуррентные нейронные сети (Recurrent Neural Networks, RNN) — могут обрабатывать последовательные данные, учитывая контекст предыдущих значений. В отличие от обычных нейронных сетей, которые обрабатывают данные в фиксированном порядке, RNN могут работать с входами переменной длины и делать выводы, зависящие от предыдущих входов. Рекуррентные нейросети широко используются в обработке естественного языка. При работе с текстами они могут не только генерировать текст, но и выполнять перевод. Для этого рекуррентная нейросеть обучается на парных предложениях, составленных на двух разных языках. RNN обрабатывает предложения по одному, создавая выходное предложения, которое на каждом шаге зависит от входного. Благодаря этому, рекуррентная нейросеть может правильно переводить даже сложные тексты, так как она учитывает предыдущие входы и выходы, что позволяет ей понимать контекст;
• полностью сверточные сети (Fully Convolutional Networks, FCN) — широко используются в задачах компьютерного зрения, таких как сегментация изображений, обнаружение объектов и классификация изображений. Они обучаются от начала до конца с использованием метода обратного распространения ошибки (backpropagation) для категоризации или сегментации изображений. Backpropagation помогает нейронной сети вычислить градиенты функции потерь по весам. Функция потерь используется для измерения того, насколько хорошо модель машинного обучения предсказывает ожидаемый результат для заданного входа. В отличие от традиционных сверточных нейронных сетей, FCN не имеют полносвязных слоев и полностью базируются на сверточных слоях. Это делает их более гибкими и эффективными для вычислений;
• сеть пространственных трансформаций (Spatial Transformer Network, STN) — применяется в задачах компьютерного зрения для улучшения способности нейронной сети распознавать объекты или узоры на изображении независимо от их местоположения, ориентации или масштаба. Это называется пространственной инвариантностью. Примером использования STN является сеть, которая применяет преобразование к входному изображению перед его обработкой. Преобразование может включать выравнивание объектов на изображении, исправление перспективных искажений или другие изменения, улучшающие работу сети в конкретной задаче. STN помогает сети обрабатывать изображения, учитывая их пространственные особенности, и улучшает ее способность распознавать объекты в разных условиях.

Какие преимущества у CNN?

Одно из главных преимуществ сверточных нейронных сетей — инвариантность к сдвигу. Это означает, как уже было сказано выше, что CNN может распознавать объекты на изображении независимо от их местоположения. 

Еще одно преимущество — общее использование параметров. Это означает, что один и тот же набор параметров применяется для всех частей входного изображения. Такой подход позволяет сети быть более компактной и эффективной, поскольку она не должна запоминать отдельные параметры для каждой области изучаемого материала. Вместо этого она обобщает знания о признаках на всем изображении, что особенно полезно при работе с большими объемами данных.

Другие преимущества CNN включают иерархические представления, которые позволяют моделировать сложные структуры данных, и устойчивость к изменениям, что делает их надежными для разных условий изображений. Кроме того, сверточные сети могут быть обучены end-to-end, то есть обучение модели происходит на всем пути от входных данных до вывода, что ускоряет процесс обучения и повышает общую производительность сети.

CNN могут изучать разные уровни характеристик входного изображения. Верхние слои сети изучают более сложные характеристики, такие как части и формы объектов, а нижние слои — более простые элементы, например границы и текстуры. Эта иерархическая модель позволяет распознавать объекты на разных уровнях абстракции, что особенно полезно для сложных задач, таких как обнаружение объектов и сегментация.

Кроме того, CNN могут быть обучены на всей сети сразу. Это означает, что градиентный спуск (алгоритм оптимизации) может одновременно оптимизировать все параметры сети для улучшения ее производительности и быстрой сходимости. Градиентный спуск позволяет модели корректировать параметры на основе информации об ошибке, чтобы минимизировать потери в процессе обучения.

А какие недостатки?

Для обучения CNN требуется большой объем размеченных данных, и оно часто занимает много времени. Это связано с высокими требованиями к вычислительной мощности. 

Архитектура CNN, включающая количество и тип слоев, может влиять на производительность сети. Например, добавление большего числа слоев позволяет повысить точность модели, но и увеличивает сложность сети, а с ней и требования к вычислительным ресурсам. Глубокие архитектуры CNN также страдают от переобучения, когда сеть сосредотачивается на тренировочных данных и плохо применяет полученные знания к новым, неизвестным данным.

В задачах, где требуется контекстное понимание, например, в обработке естественного языка, сверточные сети могут иметь ограничения. Для таких задач предпочтительны другие типы нейронных сетей, которые специализируются на анализе последовательностей и учитывают контекстуальные зависимости между элементами.

Несмотря на эти недостатки, сверточные нейронные сети все еще широко применяются и демонстрируют высокую эффективность в глубоком обучении. Они являются ключевым инструментом в области искусственных нейросетей, особенно в задачах компьютерного зрения.

Материал подготовлен при участии языковых моделей, разработанных OpenAI. Информация, представленная здесь, частично основана на машинном обучении, а не на реальном опыте или эмпирических исследованиях.