南理工S106C012神经计算课程概览与基础

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"南理工 S106C012 神经计算课件涵盖了神经计算的基本术语、概念以及神经网络的结构和学习算法。课程深入讲解了神经计算的起源和目的,强调了人工神经网络在人工智能领域的地位及其与生物神经网络的联系。" 神经计算是受生物神经网络启发的信息处理方法,它旨在通过模仿人脑的工作机制来解决问题。"Neural Computing"、"Neural Computation"、"Neural Computer"、"Neural Networks"、"Artificial Neural Networks (ANN)"和"Connectionist Models"是这一领域的核心术语,分别代表神经计算的不同层面。2009年的数据非正式定义神经计算为一种结构和处理能力与大脑类似的信息处理结构和算法。 课程中探讨了在现代数字计算机能力强大的背景下,为什么还需要神经计算。这主要是因为神经网络能更好地处理非结构化问题,而这是传统计算机难以应对的。生物神经网络(BNN)与人工神经网络(ANN)之间的关系被阐述,两者相互影响并促进了对方的发展。 在人工智能的领域里,神经网络占据了重要位置。它分为广义和狭义两种理解,广义上是指揭示智能机理和开发智能潜力,狭义上则是指通过计算机模拟智能行为。神经网络作为人工智能的主要学派之一,与符号主义(逻辑学派)形成对比,后者采用自顶向下的方法,而神经网络则采用自底向上的仿生学方法。 神经网络与机器学习紧密相连,是机器学习的重要方法。然而,由于缺乏统一理论,神经网络的学习过程相对复杂,需要较高的数学和专业背景知识。此外,神经网络的研究还涉及许多相关领域,如模式识别、图像处理和自然语言处理等。 生物神经元和生物神经网络的介绍为理解人工神经网络奠定了基础。人工神经元模型简化了生物神经元的功能,通常由输入、权重和输出构成。多层前向结构、反馈结构等不同的人工神经网络结构则展示了其处理复杂问题的能力。神经网络学习算法,如监督学习和非监督学习,是通过调整网络参数来优化性能的过程,这些算法是神经网络解决学习问题的关键。 南理工 S106C012 的神经计算课件提供了一个全面的框架,帮助学习者理解神经网络的基础知识、特点和应用,为深入研究神经计算和人工智能领域打下坚实基础。
2024-09-06 上传
1 目标检测的定义 目标检测(Object Detection)的任务是找出图像中所有感兴趣的目标(物体),确定它们的类别和位置,是计算机视觉领域的核心问题之一。由于各类物体有不同的外观、形状和姿态,加上成像时光照、遮挡等因素的干扰,目标检测一直是计算机视觉领域最具有挑战性的问题。 目标检测任务可分为两个关键的子任务,目标定位和目标分类。首先检测图像中目标的位置(目标定位),然后给出每个目标的具体类别(目标分类)。输出结果是一个边界框(称为Bounding-box,一般形式为(x1,y1,x2,y2),表示框的左上角坐标和右下角坐标),一个置信度分数(Confidence Score),表示边界框中是否包含检测对象的概率和各个类别的概率(首先得到类别概率,经过Softmax可得到类别标签)。 1.1 Two stage方法 目前主流的基于深度学习的目标检测算法主要分为两类:Two stage和One stage。Two stage方法将目标检测过程分为两个阶段。第一个阶段是 Region Proposal 生成阶段,主要用于生成潜在的目标候选框(Bounding-box proposals)。这个阶段通常使用卷积神经网络(CNN)从输入图像中提取特征,然后通过一些技巧(如选择性搜索)来生成候选框。第二个阶段是分类和位置精修阶段,将第一个阶段生成的候选框输入到另一个 CNN 中进行分类,并根据分类结果对候选框的位置进行微调。Two stage 方法的优点是准确度较高,缺点是速度相对较慢。 常见Tow stage目标检测算法有:R-CNN系列、SPPNet等。 1.2 One stage方法 One stage方法直接利用模型提取特征值,并利用这些特征值进行目标的分类和定位,不需要生成Region Proposal。这种方法的优点是速度快,因为省略了Region Proposal生成的过程。One stage方法的缺点是准确度相对较低,因为它没有对潜在的目标进行预先筛选。 常见的One stage目标检测算法有:YOLO系列、SSD系列和RetinaNet等。 2 常见名词解释 2.1 NMS(Non-Maximum Suppression) 目标检测模型一般会给出目标的多个预测边界框,对成百上千的预测边界框都进行调整肯定是不可行的,需要对这些结果先进行一个大体的挑选。NMS称为非极大值抑制,作用是从众多预测边界框中挑选出最具代表性的结果,这样可以加快算法效率,其主要流程如下: 设定一个置信度分数阈值,将置信度分数小于阈值的直接过滤掉 将剩下框的置信度分数从大到小排序,选中值最大的框 遍历其余的框,如果和当前框的重叠面积(IOU)大于设定的阈值(一般为0.7),就将框删除(超过设定阈值,认为两个框的里面的物体属于同一个类别) 从未处理的框中继续选一个置信度分数最大的,重复上述过程,直至所有框处理完毕 2.2 IoU(Intersection over Union) 定义了两个边界框的重叠度,当预测边界框和真实边界框差异很小时,或重叠度很大时,表示模型产生的预测边界框很准确。边界框A、B的IOU计算公式为: 2.3 mAP(mean Average Precision) mAP即均值平均精度,是评估目标检测模型效果的最重要指标,这个值介于0到1之间,且越大越好。mAP是AP(Average Precision)的平均值,那么首先需要了解AP的概念。想要了解AP的概念,还要首先了解目标检测中Precision和Recall的概念。 首先我们设置置信度阈值(Confidence Threshold)和IoU阈值(一般设置为0.5,也会衡量0.75以及0.9的mAP值): 当一个预测边界框被认为是True Positive(TP)时,需要同时满足下面三个条件: Confidence Score > Confidence Threshold 预测类别匹配真实值(Ground truth)的类别 预测边界框的IoU大于设定的IoU阈值 不满足条件2或条件3,则认为是False Positive(FP)。当对应同一个真值有多个预测结果时,只有最高置信度分数的预测结果被认为是True Positive,其余被认为是False Positive。 Precision和Recall的概念如下图所示: Precision表示TP与预测边界框数量的比值 Recall表示TP与真实边界框数量的比值 改变不同的置信度阈值,可以获得多组Precision和Recall,Recall放X轴,Precision放Y轴,可以画出一个Precision-Recall曲线,简称P-R