卷积神经网络(CNN)是一种专门设计用于处理网格状数据(如图像)的神经网络。CNN通过对输入数据应用卷积操作,自动检测不同抽象层次的模式、边缘和纹理。CNN由多个层次组成,每个层次执行不同的功能:卷积层、池化层和全连接层。卷积层通过将小的滤波器(也称为卷积核)滑动在输入图像上,执行逐元素相乘并汇总结果,从而提取特征。这一过程使得网络能够在初始层中检测到边缘等特征,而在更深的层中识别更复杂的模式,例如形状或物体。
池化层紧随卷积层之后,减少特征图的空间维度,同时保留重要信息。例如,最大池化从特征图的指定区域中提取最大值,这有效减少了网络的参数数量和计算量,同时提供了一定程度的平移不变性。通过下采样特征图,池化层帮助CNN集中关注主要特征,使其在处理输入数据的变化时(如位移和失真)更具鲁棒性。
最后,CNN中的全连接层类似于传统神经网络。在通过卷积层和池化层处理后,特征图被展平为一个单一向量,然后传递通过一个或多个全连接层。这些层基于从输入中提取的特征执行最终的分类或回归任务。例如,在图像分类任务中,输出层可能使用softmax激活函数为不同类别分配概率,从而允许模型预测输入图像的最可能标签。通过结合这些组成部分,CNN能够有效学习数据的层次表示,使其在涉及视觉信息的任务中表现出色。