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深度学习中CNN、RNN、DNN的区别有哪些?

发布时间:2019-12-20 12:00:00   分类: 进阶教程   阅读量:83  作者:猎维人工智能培训

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从广义上来说,NN(或是更美的DNN)可以认为包含了CNN、RNN这些具体的变种形式。神经网络技术起源于上世纪五、六十年代,当时称为感知机(perceptron),拥有输入层、输出层和一个隐含层。输入的特征向量通过隐含层变换达到输出层,在输出层得到分类结果。早期感知机的推动者是Rosenblatt。但是,Rosenblatt的单层感知机有一个严重得不能再严重的问题,对于计算稍微复杂的函数其计算力显得无能为力。

多层感知机的出现:随着数学的发展,这个缺点直到上世纪八十年代才被Rumelhart、Williams、Hinton、LeCun等人发明的多层感知机(multilayer perceptron)克服。多层感知机,顾名思义,就是有多个隐含层的感知机,我们看一下多层感知机的结构。神经网络技术起源于上世纪五、六十年代

多层感知机可以摆脱早期离散传输函数的束缚,使用sigmoid或tanh等连续函数模拟神经元对激励的响应,在训练算法上则使用Werbos发明的反向传播BP算法。对,这就是我们现在所说的神经网络(NN)!多层感知机解决了之前无法模拟异或逻辑的缺陷,同时更多的层数也让网络更能够刻画现实世界中的复杂情形。多层感知机给我们带来的启示是,神经网络的层数直接决定了它对现实的刻画能力——利用每层更少的神经元拟合更加复杂的函数。

DNN 深度神经网络

2006年,Hinton利用预训练方法缓解了局部最优解问题,将隐含层推动到了7层。神经网络真正意义上有了“深度”,由此揭开了深度学习的热潮。

这里的“深度”并没有固定的定义——在语音识别中4层网络就能够被认为是“较深的”,而在图像识别中20层以上的网络屡见不鲜。为了克服梯度消失,ReLU、maxout等传输函数代替了 sigmoid,形成了如今 DNN 的基本形式。单从结构上来说,全连接的DNN和上图的多层感知机是没有任何区别的。值得一提的是,今年出现的高速公路网络(highway network)和深度残差学习(deep residual learning)进一步避免了梯度弥散问题,网络层数达到了前所未有的一百多层(深度残差学习:152层)。

同一个卷积核在所有图像内是共享的

CNN 卷积神经网络

我们看到全连接DNN的结构里下层神经元和所有上层神经元都能够形成连接,带来的潜在问题是参数数量的膨胀。假设输入的是一幅像素为1K*1K的图像,隐含层有1M个节点,光这一层就有10^12个权重需要训练,这不仅容易过拟合,而且极容易陷入局部最优。

另外,图像中有固有的局部模式(比如轮廓、边界,人的眼睛、鼻子、嘴等)可以利用,显然应该将图像处理中的概念和神经网络技术相结合。此时我们可以祭出题主所说的卷积神经网络CNN。对于CNN来说,并不是所有上下层神经元都能直接相连,而是通过“卷积核”作为中介。同一个卷积核在所有图像内是共享的,图像通过卷积操作后仍然保留原先的位置关系。

卷积层之间的卷积传输的示意图如下:

神经网络真正意义上有了深度

RNN 循环神经网络

全连接的DNN还存在着另一个问题——无法对时间序列上的变化进行建模。然而,样本出现的时间顺序对于自然语言处理、语音识别、手写体识别等应用非常重要。对了适应这种需求,就出现了另一种神经网络结构——循环神经网络RNN。

而在RNN中,神经元的输出可以在下一个时间戳直接作用到自身,即第i层神经元在m时刻的输入,除了(i-1)层神经元在该时刻的输出外,还包含了其自身在(m-1)时刻的输出。RNN可以看成一个在时间上传递的神经网络,它的深度是时间的长度!正如我们上面所说,“梯度消失”现象又要出现了,只不过这次发生在时间轴上。对于t时刻来说,它产生的梯度在时间轴上向历史传播几层之后就消失了,根本就无法影响太遥远的过去。

因此,之前说“所有历史”共同作用只是理想的情况,在实际中,这种影响也就只能维持若干个时间戳。为了解决时间上的梯度消失,机器学习领域发展出了长短时记忆单元 LSTM,通过门的开关实现时间上记忆功能,并防止梯度消失。