一、多通道卷积神经网络示例
还是以图像处理为例,如果你的目标不仅是分析灰度图像特性,还打算捕捉RGB彩色图像的特征。如下图,当面对一张6×6像素的彩色图像时,提及的“3”实际上是指红、绿、蓝三种颜色通道,形象地说,这相当于将三个独立的6×6灰度图像沿深度方向堆叠起来。
为了有效识别图像中的边缘或其它特征,传统做法并非是采用一个简单的3×3二维滤波器进行卷积运算,而是升级为使用一个三维滤波器,其尺寸规格为3×3×3。这样一来,这个进阶的滤波器自身也具备三层结构,每一层分别对应着图像中的红色、绿色和蓝色通道,从而能够在保持色彩信息的同时,全面且深入地探索和提取图像特征。
二、多通道卷积神经网络的卷积操作
要执行此卷积操作并获得输出,首要步骤是将3×3×3的过滤器放置于图像的左上角。此过滤器包含27个元素,恰为3的三次方。操作流程涉及依序取出这27个数值,随后与对应的红、绿、蓝通道内的像素值相乘。具体而言,先是红色通道的初始9个像素值,紧随其后的是绿色通道的9个值,最后是蓝色通道的9个值,这些值与左侧黄色立方体所覆盖图像区域的27个数一一对应并相乘。将这些乘积汇总,即可得到输出序列中的第一个数字。
欲获取下一项输出结果,只需将立方体滤波器向右或向下(依据移动方向)平移一个单位,重复上述乘法与求和过程,利用新的像素集合进行计算。如此这般,逐次滑动并计算,直至完成整个图像的处理。
三、滤波器的数量就是特征的数量
可以和之前文章学到的一样,如下图,第一个过滤器可能充当垂直边缘检测器。至于第二个过滤器,用橙色表示,它可以作为水平边缘检测器。当然也可以设定不同的参数,不同的参数选择会产生不同的特征检测器,所有这些都是3×3×3的过滤器。
第一个滤波器卷积后得到4×4输出,第二滤波器卷积得到另一4×4输出。两组4×4输出叠加,一个上面一个下面,构成4×4×2输出立方体,形象化看作“盒子”。此过程概括为:6×6×3图像,经两组3×3滤波器卷积,各得4×4输出,双输出合并成4×4×2立方体,其中“2”代表两滤波器结果。
四、多通道卷积神经网络的注意事项
(1)输入通道数要匹配
确保卷积层的滤波器(filters)数量与输入数据的通道数相匹配。对于图像数据,若输入是RGB图像,则有3个通道;如果是灰度图像,则只有1个通道。卷积层的滤波器需设计为与输入通道数相同的深度,以便每个滤波器能够独立处理一个输入通道。
(2)卷积核数量就是特征数量
每个滤波器由多个(与输入通道数相同)二维张量组成,这些张量在通道维度上堆叠形成一个三维结构。滤波器的大小(宽度x高度)和深度(对应输入通道数)需要仔细设计,以捕捉不同尺度和类型的特征。
(3)输出通道数
卷积层的输出通道数(即滤波器的数量)决定了模型能够学习到的特征种类。增加输出通道数可以增强模型的表达能力,但也会增加计算成本和内存需求。