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【6h】

深度神经网络的可视化理解方法研究

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摘要

第1章绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1深度神经网络的研究现状

1.2.2深度神经网络的可视化理解方法研究现状

1.3主要研究内容和预期研究结果

1.4本文的组织结构

第2章课题的相关研究

2.1深度神经网络相关技术研究

2.1.1神经网络的基本概念和基础

2.1.2卷积神经网络

2.2基于热力图的可视化方法

2.2.1灵敏度分析

2.2.2反卷积可视化

2.2.3相关性传播算法

2.3特征可视化方法

2.3.1激活最大化方法

2.3.2反卷积可视化

2.3.3反转表达可视化

2.4本章小结

第3章CNN分类决策的可视化理解方法优化

3.1类激活映射图

3.1.1 CAM图的定义

3.1.2 CAM算法的不足

3.2全连接层的Rel-CAM算法

3.2.1全连接层中相关性传播算法

3.2.2全连接层中CAM图的计算

3.3卷积层中的传播算法

3.3.1算法的思想

3.3.2算法步骤

3.4本章小结

第4章CNN特征可视化方法优化

4.1研究概述

4.2计算卷积层的特征表达的方法

4.2.1目标函数

4.2.2相似性度量

4.2.3优化方法

4.3卷积层中特征表达的可视化方法

4.3.1目标函数

4.3.2优化方法

4.4本章小结

第5章实验及结果分析

5.1实验环境配置

5.2 CNN分类决策可视化实验结果分析

5.2.1分类决策可视化结果对比

5.2.2可视化结果的定量比较

5.3 CNN特征可视化实验结果分析

5.3.1特征可视化结果对比

5.3.2可视化结果的定量比较

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成

致谢

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摘要

近年来,随着机器学习技术的飞速发展,人工智能应用深刻地改变了人类的社会生活。深度神经网络作为当前人工智能应用中的主要模型,其在图像识别、语音识别、自然语言处理等领域得到广泛应用。然而由于深度神经网络具有多隐层结构、数据和特征的矢量化以及高度非线性等特点,使得该模型难以高效准确地使用。尤其是对于诸如自动驾驶、医疗诊断等关键型任务,深度神经网络复杂而又晦涩的性质成为了模型使用者面临的主要瓶颈。而模型可视化技术作为抽象的人工智能系统的主要载体,能够极大地帮助用户理解神经网络模型及其分类决策,从而降低人工智能系统研究学习的门槛并提高相关领域应用研究人员的研究兴趣。因此,深度神经网络的可视化技术研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
  本文从深度神经网络中的卷积神经网络入手,着重研究卷积神经网络分类的可视化解释技术,并针对现有方法不足,提出了两种新型高效的可视化方法,分别从两个方面对卷积神经网络的分类进行了可视化解释。首先,在解释卷积神经网络对具体输入的分类决策上,针对现有可视化方法的不足,提出了一种新的可视化技术,该方法首先采用逐层相关性传播算法,在全连接层生成了类激活映射图,然后在卷积层使用更加简洁的位置传播算法,以便将类激活映射图中的位置信息逐层向前传递至输入层,从而获取输入图像中对分类决策有用的像素位置信息,形成解释卷积神经网络对输入图像的分类依据。其次,在解释模型学到了什么样的分类特征上,提出了一种新型类特征可视化方法。由于卷积神经网络提取到的每一类都具有多样性的特征,因此在可视化类别特征时,在使用优化算法时加入了一种鼓励多样性的正则项,以得到同一类别中不同的卷积层表达;然后通过反转表达优化算法,将不同表达转化为图像输出,从而实现类别的多样性特征的可视化,并帮助人们直观而又清晰地理解卷积神经网络的特征。
  最后,通过实验测试与分析对本文提出的两种算法进行了验证,实验结果表明本文提出的优化算法均达到了理想的可视化效果。

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