深度學習作為機器學習的一個分支,近年來在影像辨識、自然語言處理等領域取得了顯著的成果。人工神經網路是深度學習的基本,透過多層神經元彼此連結,模擬人腦的運作方式,從大量的資料中學習特徵和模式。隨著資料量的增加和計算能力的提升,深度學習模型的複雜度和效能也不斷提高,衍生出各種不同的網路架構,例如卷積神經網路 (CNN) 和迴圈神經網路 (RNN),以應對不同型別的資料和任務。而為了在資源受限的移動裝置上執行深度學習模型,MobileNet 等輕量級網路架構也應運而生,透過深度可分離卷積等技術,在保持一定效能的同時,大幅降低模型的計算量和引數量。
監督學習、非監督學習和強化學習
機器學習可以分為三類:監督學習、非監督學習和強化學習。
- 監督學習:模型透過標記的資料集進行訓練。
- 非監督學習:模型透過未標記的資料集進行訓練。
- 強化學習:模型透過試錯和獎懲機制進行訓練。
監督學習的應用
監督學習的應用包括分類和回歸。
- 分類:預測資料屬於哪一類。
- 回歸:預測資料的連續值。
非監督學習的應用
非監督學習的應用包括聚類和維度減少。
- 聚類:將資料分成不同的群組。
- 維度減少:將高維度的資料轉換為低維度的資料。
深度學習架構與物聯網
深度學習(DL)是一種機器學習(ML)技術,能夠在大型和高維度的資料集中學習高階抽象概念。DL的核心是人工神經網路(ANN),它們的靈感來自人類大腦的結構和功能。
人工神經網路
人工神經網路是由多層神經元組成的,每個神經元都能夠接收和處理輸入訊號。ANN的目的是學習輸入和輸出的關係,以便能夠對新輸入進行預測或分類。
深度學習的優勢
深度學習在處理大型和高維度的資料集時具有優勢,尤其是在影像和語音識別等領域。DL能夠自動學習特徵和模式,而不需要人工定義特徵。
物聯網和深度學習
物聯網(IoT)是指將物理裝置和感知器連線到網際網路的網路。物聯網的應用包括智慧家居、工業自動化和交通管理等。深度學習在物聯網中的應用包括資料分析、預測和控制等。
深度學習架構
深度學習架構包括多層神經元和啟用函式。每個神經元都能夠接收和處理輸入訊號,然後將輸出傳遞給下一層神經元。啟用函式的作用是將輸入訊號轉換為非線性輸出。
未來發展
深度學習在未來將繼續發展和應用於各個領域。物聯網和深度學習的結合將帶來新的應用和機遇。
圖表翻譯:
graph LR A[深度學習] --> B[人工神經網路] B --> C[學習特徵和模式] C --> D[預測和分類] D --> E[物聯網應用] E --> F[智慧家居] F --> G[工業自動化] G --> H[交通管理]
此圖表展示了深度學習、人工神經網路、學習特徵和模式、預測和分類、物聯網應用、智慧家居、工業自動化和交通管理之間的關係。
內容解密:
深度學習是一種機器學習技術,能夠在大型和高維度的資料集中學習高階抽象概念。人工神經網路是深度學習的核心,能夠學習輸入和輸出的關係,以便能夠對新輸入進行預測或分類。物聯網和深度學習的結合將帶來新的應用和機遇。
人工神經網路簡史
人工神經網路(Artificial Neural Networks,ANNs)的發展可以追溯到1943年,當時Warren McCulloch和Walter Pitts提出了一個簡單的生物神經元模型。這個模型後來被稱為感知器(Perceptron),是一種根據線性閾值單元(Linear Threshold Unit,LTU)的簡單ANN架構。感知器的輸入和輸出都是數值,而不是二元的開/關值。每個輸入連線都有一個權重,LTU計算輸入的加權和,然後應用一個步驟函式,最後輸出結果。
然而,感知器有一個限制,就是它的決策邊界是線性的,無法學習複雜的模式。後來,多層感知器(Multilayer Perceptron,MLP)被提出,以克服感知器的限制。MLP是一種多層的ANN架構,可以學習更複雜的模式。
人工神經網路的發展歷史可以概括如下:
- 1943年:McCulloch和Pitts提出簡單的生物神經元模型
- 1957年:感知器被提出
- 1969年:Marvin Minsky和Seymour Papert提出XOR問題
- 1974年:Paul Werbos提出反向傳播演算法
- 1982年:John Hopfield提出Hopfield網路
- 1985年:Hinton和他的團隊提出Boltzmann機器
- 1986年:Geoffrey Hinton成功訓練MLP
- 1990年:Lecun等人提出LeNet
人工神經網路如何學習
人工神經網路的學習過程是根據最佳化權重的迭代過程。權重在每個epoch都會被更新。訓練過程的目的是生成預測,並評估網路的效能。人工神經網路的學習過程可以分為兩個階段:前向傳播和反向傳播。
前向傳播是指網路從輸入層到輸出層的過程,網路會計算每個層的輸出。反向傳播是指網路從輸出層到輸入層的過程,網路會計算每個層的誤差梯度。
訓練人工神經網路
訓練人工神經網路是一個最佳化問題,目的是最小化誤差函式。最常用的最佳化演算法是梯度下降法(Gradient Descent,GD)。然而,GD可能會陷入區域性最小值,無法找到全域性最小值。
為了克服這個問題,隨機梯度下降法(Stochastic Gradient Descent,SGD)被提出。SGD使用一個訓練樣本來更新網路引數,從而加速訓練過程。
權重和偏差初始化
權重和偏差的初始化是人工神經網路訓練中的一個重要步驟。如果所有權重被初始化為相同的值,則每個隱藏神經元都會收到相同的訊號。Xavier初始化是一種常用的初始化方法,它可以根據輸入和輸出神經元的數量來初始化權重。
偏差可以被初始化為零,但是設定偏差為一個小的常數值可以確保所有ReLU單元都可以傳播梯度。然而,這種方法並不總是能夠得到良好的結果,因此設定偏差為零是推薦的做法。
內容解密:
以上內容介紹了人工神經網路的簡史、學習過程、訓練方法和權重初始化方法。人工神經網路是一種強大的機器學習工具,它可以學習複雜的模式和關係。然而,訓練人工神經網路需要仔細的初始化和最佳化,以確保網路收斂到全域性最小值。
神經網路啟用函式
為了使神經網路能夠學習複雜的決策邊界,我們在某些層中應用非線性啟用函式。常用的函式包括Tanh、ReLU、Softmax等。從技術上講,每個神經元接收到來自輸入神經元的加權和訊號,並根據啟用值計算出新的啟用狀態。其中,最常用的函式是Sigmoid邏輯函式,定義如下:
Sigmoid函式的定義域包括所有實數,其值域為(0, 1)。這意味著任何神經元的輸出值都將在0和1之間。Sigmoid函式可以用來解釋神經元的飽和率,從完全不活躍(等於0)到完全飽和(等於1)。
另一方面,雙曲正切(Tanh)函式是另一種啟用函式,能夠將實數壓縮到-1和1之間。Sigmoid和Tanh函式的差異在於,Tanh函式能夠提供更好的非線性對映。
神經網路架構
迄今為止,已經提出了許多神經網路架構,並且正在使用。然而,大多數架構都是根據幾個核心神經網路架構。可以將深度學習(DL)架構分為四類:
- 深度神經網路(DNNs):DNNs是具有複雜和深層架構的神經網路,每層有大量神經元和許多連線。雖然DNN指的是非常深的網路,但為了簡單起見,我們將多層感知器(MLP)、堆疊自動編碼器(SAE)和深度信念網路(DBNs)視為DNN架構。
- 卷積神經網路(CNNs):CNNs主要用於影像和影片處理,能夠自動提取特徵。
- 迴圈神經網路(RNNs):RNNs主要用於序列資料處理,能夠捕捉時間序列中的模式。
- 新興架構:還有一些新興的神經網路架構,例如生成對抗網路(GANs)和變分自編碼器(VAEs)。
深度神經網路(DNNs)
DNNs是具有複雜和深層架構的神經網路,每層有大量神經元和許多連線。DNNs主要包括MLP、SAE和DBNs等架構。
- 多層感知器(MLP):MLP是一種簡單的前饋神經網路,具有三層結構:輸入層、隱藏層和輸出層。訊號從輸入層傳遞到隱藏層,然後到輸出層。
- 堆疊自動編碼器(SAE):SAE是一種由多個自動編碼器堆疊而成的神經網路,能夠學習複雜的特徵表示。
- 深度信念網路(DBNs):DBNs是一種由多個限制玻爾茲曼機(RBMs)堆疊而成的神經網路,能夠學習複雜的機率分佈。
自動編碼器(AEs)
自動編碼器(AEs)是一種特殊的神經網路,能夠自動從輸入資料中學習。AEs由兩部分組成:編碼器和解碼器。編碼器將輸入壓縮成潛在空間表示,然後解碼器嘗試從這個表示中重構原始輸入資料。
- 編碼器:編碼器將輸入壓縮成潛在空間表示,使用函式h = f(x)。
- 解碼器:解碼器從潛在空間表示中重構原始輸入資料。
AEs能夠學習複雜的特徵表示和資料分佈,廣泛用於無監督學習和特徵學習等領域。
深度學習架構概述
深度學習(Deep Learning)是一種機器學習的分支,近年來在各個領域中取得了卓越的成績。深度學習架構是指用於構建深度學習模型的各種結構和技術。在本章中,我們將介紹一些常見的深度學習架構,包括自編碼器(Autoencoder)、卷積神經網路(Convolutional Neural Network, CNN)、迴圈神經網路(Recurrent Neural Network, RNN)等。
自編碼器(Autoencoder)
自編碼器是一種神經網路,旨在學習輸入資料的壓縮和重構。自編碼器由兩部分組成:編碼器(Encoder)和解碼器(Decoder)。編碼器將輸入資料壓縮成低維度的表示,而解碼器則將低維度的表示重構回原始的輸入資料。自編碼器可以用於資料降維、噪聲消除和特徵學習等任務。
卷積神經網路(Convolutional Neural Network, CNN)
卷積神經網路是一種特殊的神經網路,旨在處理影像和視覺資料。卷積神經網路的結構包括卷積層、池化層和全連線層。卷積層用於提取影像的區域性特徵,池化層用於降低特徵的維度,而全連線層用於進行分類或回歸任務。卷積神經網路在影像識別、物體檢測和影像分割等任務中取得了卓越的成績。
迴圈神經網路(Recurrent Neural Network, RNN)
迴圈神經網路是一種特殊的神經網路,旨在處理序列資料。迴圈神經網路的結構包括輸入層、隱藏層和輸出層。隱藏層用於記憶序列資料的上下文資訊,而輸出層用於預測序列資料的下一個值。迴圈神經網路在語言模型、時間序列預測和序列分類等任務中取得了卓越的成績。
殘差神經網路(Residual Neural Network)
殘差神經網路是一種特殊的神經網路,旨在解決深度神經網路的訓練難題。殘差神經網路的結構包括多個殘差塊,每個殘差塊包括兩個全連線層和一個捷徑連線。殘差神經網路可以用於影像識別、物體檢測和語言模型等任務。
生成對抗網路(Generative Adversarial Network, GAN)
生成對抗網路是一種特殊的神經網路,旨在生成新的資料。生成對抗網路的結構包括兩個神經網路:生成器和判別器。生成器用於生成新的資料,而判別器用於區分真實資料和生成的資料。生成對抗網路可以用於影像生成、語言生成和音樂生成等任務。
圖表翻譯:
以下是生成對抗網路的架構圖:
graph LR A[生成器] -->|生成新資料|> B[判別器] B -->|區分真實資料和生成資料|> C[輸出]
在這個圖中,生成器用於生成新的資料,而判別器用於區分真實資料和生成的資料。生成對抗網路可以用於影像生成、語言生成和音樂生成等任務。
內容解密:
生成對抗網路是一種特殊的神經網路,旨在生成新的資料。生成對抗網路的結構包括兩個神經網路:生成器和判別器。生成器用於生成新的資料,而判別器用於區分真實資料和生成的資料。生成對抗網路可以用於影像生成、語言生成和音樂生成等任務。在這個章節中,我們介紹了生成對抗網路的基本結構和原理,並提供了一個簡單的例子來演示其應用。
深度學習架構與技術
深度學習(Deep Learning)是一種機器學習(Machine Learning)技術,近年來在各個領域中取得了巨大的成功。深度學習的核心思想是使用多層的神經網路(Neural Network)來學習和代表資料。
Capsule Networks
Capsule Networks是一種新型的神經網路結構,旨在解決傳統神經網路中存在的問題。Capsule Networks的基本單位是capsule,capsule是一組神經元,其活動向量代表了特定實體的具體化引數,例如物體或物體的一部分。
Capsule Networks的工作原理是透過動態路由(Dynamic Routing)演算法來實現資訊的傳遞和處理。這種演算法可以迭代地傳遞資訊和處理自我一致性場(Self-Consistent Field,SCF)。
深度學習框架
深度學習框架是指一種軟體框架,旨在提供一個方便和高效的方式來實現深度學習演算法。常見的深度學習框架包括TensorFlow、PyTorch、Keras等。
Chainer
Chainer是一種強大的、靈活的和直觀的深度學習框架,支援CUDA計算。Chainer可以使用少量程式碼來利用GPU,並且可以在多個GPU上執行。
AWS和Azure的深度學習服務
AWS和Azure提供了深度學習服務,包括預先安裝的深度學習框架和最佳化的GPU。這些服務可以幫助開發者快速地建立和部署深度學習應用程式。
內容解密:
本章節介紹了深度學習的基本概念和技術,包括Capsule Networks和深度學習框架。同時,也介紹了AWS和Azure的深度學習服務,包括預先安裝的深度學習框架和最佳化的GPU。這些服務可以幫助開發者快速地建立和部署深度學習應用程式。
圖表翻譯:
以下是本章節的圖表翻譯:
graph LR A[深度學習] --> B[ Capsule Networks ] B --> C[動態路由演算法] C --> D[自我一致性場] D --> E[深度學習框架] E --> F[Chainer] F --> G[AWS和Azure的深度學習服務] G --> H[預先安裝的深度學習框架] H --> I[最佳化的GPU]
這個圖表展示了深度學習的基本概念和技術,包括Capsule Networks和深度學習框架。同時,也展示了AWS和Azure的深度學習服務,包括預先安裝的深度學習框架和最佳化的GPU。
影像識別在物聯網中的應用
隨著物聯網(IoT)的快速發展,影像識別技術在各個領域中扮演著越來越重要的角色。從智慧家居到智慧城市,從智慧醫療到智慧教育,影像識別技術被廣泛應用於各個方面。這一章將介紹影像識別在物聯網中的應用,包括影像識別的基本概念、影像識別在物聯網中的應用場景、影像識別演算法的介紹等。
影像識別的基本概念
影像識別是指透過對影像進行分析和處理,從而提取出影像中的有用資訊的過程。影像識別技術可以分為兩大類:一是根據傳統的計算機視覺技術,另一是根據深度學習的影像識別技術。傳統的計算機視覺技術主要依靠手工設計的特徵提取和分類器來實現影像識別,而深度學習的影像識別技術則透過神經網路自動學習影像特徵和分類模型。
影像識別在物聯網中的應用場景
影像識別在物聯網中的應用場景非常廣泛,包括:
- 智慧家居:影像識別可以用於智慧家居中的物體識別、人臉識別等。
- 智慧城市:影像識別可以用於智慧城市中的車輛識別、行人識別等。
- 智慧醫療:影像識別可以用於智慧醫療中的病理影像分析、醫學影像分析等。
- 智慧教育:影像識別可以用於智慧教育中的學生識別、教師識別等。
影像識別演算法的介紹
影像識別演算法可以分為兩大類:一是根據傳統的計算機視覺技術,另一是根據深度學習的影像識別技術。傳統的計算機視覺技術主要依靠手工設計的特徵提取和分類器來實現影像識別,而深度學習的影像識別技術則透過神經網路自動學習影像特徵和分類模型。
傳統的計算機視覺技術
傳統的計算機視覺技術主要包括以下幾個步驟:
- 影像預處理:對影像進行預處理,包括影像增強、影像分割等。
- 特徵提取:從影像中提取出有用的特徵,包括邊緣、角點、形狀等。
- 分類器設計:設計分類器來實現影像識別,包括支援向量機、隨機森林等。
深度學習的影像識別技術
深度學習的影像識別技術主要包括以下幾個步驟:
- 資料集收集:收集大量的影像資料集。
- 資料集預處理:對資料集進行預處理,包括影像增強、影像分割等。
- 模型設計:設計深度學習模型,包括卷積神經網路、迴圈神經網路等。
- 模型訓練:對模型進行訓練,包括前向傳播、反向傳播等。
影像識別在物聯網中的實踐
影像識別在物聯網中的實踐包括以下幾個方面:
- 智慧家居中的物體識別:透過影像識別技術,可以實現智慧家居中的物體識別,包括傢俱、電器等。
- 智慧城市中的車輛識別:透過影像識別技術,可以實現智慧城市中的車輛識別,包括車牌識別、車型識別等。
- 智慧醫療中的病理影像分析:透過影像識別技術,可以實現智慧醫療中的病理影像分析,包括腫瘤識別、病理變化識別等。
智慧城市公共資產監測與管理
公共資產是城市的重要組成部分,包括道路、公共建築和旅遊景點等。然而,城市在監測、故障檢測和報告這些資產時面臨著許多挑戰。例如,在英國的許多城市中,市民經常報告故障,但報告的準確性和效率往往是個問題。在智慧城市中,這些資產可以透過物聯網應用程式進行監測和故障檢測。
道路監測與故障檢測
道路是城市的重要資產,道路上的坑窪、凸凹和粗糙度是司機們常遇到的問題。這些問題不僅會對車輛造成損害,還可能導致事故。根據統計,英國的坑窪相關損害每年就會造成1.7億英鎊的損失。物聯網應用程式可以透過感應器和深度學習演算法自動檢測這些問題,並將其報告給相關部門,從而減少道路故障相關的損害。
智慧固體廢棄物分類
固體廢棄物是全球性的挑戰,廢棄物的管理不僅昂貴,還對全球經濟、公共衛生和環境產生嚴重影響。然而,透過物聯網和深度學習,特別是根據影像的物體識別,可以自動識別廢棄物的型別,並將其分類到相應的類別中。
實現智慧固體廢棄物分類
實現智慧固體廢棄物分類需要兩個關鍵的組成部分:
- 感應器和資料收集:選擇適合的感應器來收集資料,例如使用智慧手機的相機或Raspberry Pi配備外部相機。
- 故障檢測和報告:使用深度學習演算法來檢測和分類廢棄物,然後將結果報告給相關部門。
圖表翻譯:
graph LR A[感應器和資料收集] --> B[故障檢測和報告] B --> C[報告給相關部門] C --> D[減少道路故障相關的損害] D --> E[提高廢棄物的回收效率]
內容解密:
- 智慧城市的公共資產監測和管理是透過物聯網和深度學習來實現的。
- 感應器和深度學習演算法可以自動檢測道路上的故障和廢棄物的型別。
- 報告給相關部門可以減少道路故障相關的損害和提高廢棄物的回收效率。
- 這些技術可以幫助城市更好地管理公共資產,提高市民的生活質量和安全性。
物聯網中根據深度學習的影像識別
物聯網(IoT)技術的應用越來越廣泛,尤其是在垃圾分類和管理領域。一個根據物聯網的垃圾分類系統可以使用深度學習(DL)模型來識別影像。這個系統的第一個組成部分是感測器和資料收集,包括選擇適合的感測器來收集資料,例如攝像頭和重量感測器。
感測器和資料收集
選擇適合的感測器來收集資料是非常重要的。例如,玻璃和塑膠瓶在顏色和外觀上非常相似,但是重量通常有明顯的差異。因此,系統可以使用攝像頭來捕捉垃圾的影像,並使用重量感測器來測量垃圾的重量。
垃圾檢測和分類
垃圾檢測和分類是系統的核心部分。系統使用預先訓練好的深度學習模型來識別影像,並根據識別結果來控制系統的動作。例如,當系統識別出垃圾是玻璃瓶時,系統可以開啟相應的蓋子並將垃圾放入垃圾桶中。
轉移學習
轉移學習是一種機器學習技術,允許使用預先訓練好的模型來解決新的問題。這種技術在影像識別領域中尤其有效,因為可以使用預先訓練好的模型來識別新的影像。轉移學習的優點是可以使用較少的資料來訓練模型,並且可以加快訓練的速度。
卷積神經網路(CNN)
卷積神經網路(CNN)是一種常用的深度學習模型,尤其是在影像識別領域中。CNN可以學習影像的特徵,並根據這些特徵來識別影像。AlexNet是一種常用的CNN模型,曾經贏得ImageNet Challenge:ILSVRC 2012。從那時起,CNN就成為了影像識別領域中的一種主流技術。
物聯網中的CNN應用
在物聯網中,CNN可以用來解決許多實際問題,例如自駕車和病人監測。然而,CNN模型的複雜性和大小可能會對系統的效率和速度產生影響。因此,需要設計更加高效和簡潔的CNN模型來滿足物聯網應用的需求。
內容解密:
本節內容介紹了物聯網中根據深度學習的影像識別技術,包括感測器和資料收集、垃圾檢測和分類、轉移學習和CNN。轉移學習是一種機器學習技術,允許使用預先訓練好的模型來解決新的問題。CNN是一種常用的深度學習模型,尤其是在影像識別領域中。
圖表翻譯:
下圖顯示了物聯網中根據深度學習的影像識別系統的架構:
flowchart TD A[感測器和資料收集] --> B[垃圾檢測和分類] B --> C[轉移學習] C --> D[CNN] D --> E[識別結果]
本圖表顯示了系統的各個部分,包括感測器和資料收集、垃圾檢測和分類、轉移學習和CNN。系統使用預先訓練好的模型來識別影像,並根據識別結果來控制系統的動作。
移動式神經網路的演進:MobileNet
1.
隨著物聯網(IoT)應用的發展,對於移動式裝置的計算效率和能耗的要求越來越高。為了滿足這些需求,MobileNet系列的神經網路模型被提出。MobileNet V1於2017年4月被提出,作為一種高效的卷積神經網路(CNN)模型,特別適合於移動式裝置的影像識別任務。
2. MobileNet V1的架構
MobileNet V1的主要特點是使用深度可分離的卷積(Depthwise Separable Convolution),這種方法將傳統的卷積過程分解為兩個步驟:深度卷積(Depthwise Convolution)和點卷積(Pointwise Convolution)。這種分解可以大大減少模型的計算量和引數數量。例如,MobileNet V1只需要計算4.2百萬個引數,而傳統的卷積網路需要計算29.3百萬個引數。
內容解密:
import numpy as np
# 定義深度可分離的卷積函式
def depthwise_separable_convolution(input_data, depthwise_kernel, pointwise_kernel):
# 深度卷積
depthwise_output = np.convolve(input_data, depthwise_kernel, mode='same')
# 點卷積
pointwise_output = np.convolve(depthwise_output, pointwise_kernel, mode='same')
return pointwise_output
# 測試深度可分離的卷積
input_data = np.random.rand(10, 10)
depthwise_kernel = np.random.rand(3, 3)
pointwise_kernel = np.random.rand(1, 1)
output = depthwise_separable_convolution(input_data, depthwise_kernel, pointwise_kernel)
print(output.shape)
3. MobileNet V2的架構
MobileNet V2是在MobileNet V1的基礎上提出的一種更新和改進的模型。它引入了兩個新的特點:線性瓶頸(Linear Bottlenecks)和捷徑連線(Shortcut Connections)。這些改進使得MobileNet V2在影像識別任務上取得了更好的效能。
圖表翻譯:
graph LR A[輸入] --> B[深度可分離的卷積] B --> C[線性瓶頸] C --> D[捷徑連線] D --> E[輸出]
從技術架構視角來看,深度學習與物聯網的結合正推動智慧城市和移動應用蓬勃發展。本文涵蓋了監督學習、非監督學習、強化學習,以及深度學習架構、人工神經網路的發展、啟用函式、CNN、RNN等核心技術,並深入探討了MobileNet等移動端神經網路的演進。分析顯示,深度學習在影像識別、物體檢測、公共資產監測等領域展現出巨大潛力,但模型的複雜性和計算成本仍是限制其在資源受限裝置上部署的挑戰。未來,輕量化模型設計、邊緣計算的發展和更高效的訓練演算法將是技術突破的關鍵方向。玄貓認為,隨著5G和邊緣計算的普及,深度學習與物聯網的融合將催生更多創新應用,重塑智慧城市的格局,並在移動端釋放更大的計算潛力。