神经网络结构——CNN、RNN、LSTM、Transformer ！！

文章目录

前言

一、什么是CNN

网络结构

解决问题

工作原理

实际应用

二、什么是RNN

网络结构

解决问题

工作原理

应用场景

三、什么是LSTM

网络结构

解决问题

工作原理

应用场景

四、什么是Transformer

网络结构

解决问题

工作原理

BERT

GPT

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前言

本文将从什么是CNN？什么是RNN？什么是LSTM？什么是Transformer？四个问题，简单介绍神经网络结构。

神经网络结构

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一、什么是CNN

卷积神经网络（CNN）：通过卷积和池化操作有效地处理高维图像数据，降低计算复杂度，并提取关键特征进行识别和分类。

网络结构

• 卷积层：用来提取图像的局部特征。
• 池化层：用来大幅降低参数量级，实现数据降维。
• 全连接层：用来输出想要的结果。

卷积神经网络（CNN）

解决问题

• 提取特征：卷积操作提取图像特征，如边缘、纹理等，保留图像特征。
• 数据降维：池化操作大幅降低参数量级，实现数据降维，大大减少运算量，避免过拟合。

工作原理

• 卷积层：通过卷积核的过滤提取出图片中局部的特征，类似初级视觉皮层进行初步特征提取。

 使用一个过滤器（卷积核）来过滤图像的各个小区域，从而得到这些小区域的特征值

• 池化层：下采样实现数据降维，大大减少运算量，避免过拟合。

原始是20×20的，进行下采样，采样为10×10，从而得到2×2大小的特征图

• 全连接层：经过卷积层和池化层处理过的数据输入到全连接层，得到最终想要的结果。

全连接层

LeNet-5：被誉为卷积神经网络的“Hello World”，是图灵奖获得者Yann LeCun（杨立昆）在1998年提出的CNN算法，用来解决手写识别的问题。

LeNet-5通过引入卷积层、池化层和全连接层等关键组件，构建了一个高效且强大的图像识别网络，为后续卷积神经网络的发展奠定了基础。

• 输入层：INPUT
• 三个卷积层：C1、C3和C5
• 两个池化层：S2和S4
• 一个全连接层：F6
• 输出层：OUTPUT

输入层-卷积层-池化层-卷积层-池化层-卷积层-全连接层-输出层

实际应用

• 图像分类：可以节省大量的人工成本，将图像进行有效的分类，分类的准确率可以达到95%+。典型场景：图像搜索。
• 目标定位：可以在图像中定位目标，并确定目标的位置及大小。典型场景：自动驾驶。
• 目标分割：简单理解就是一个像素级的分类。典型场景：视频裁剪。
• 人脸识别：非常普及的应用，戴口罩都可以识别。典型场景：身份认证。

二、什么是RNN

循环神经网络（RNN）：一种能处理序列数据并存储历史信息的神经网络，通过利用先前的预测作为上下文信号，对即将发生的事件做出更明智的决策。

网络结构

• 输入层：接收输入数据，并将其传递给隐藏层。输入不仅仅是静态的，还包含着序列中的历史信息。
• 隐藏层：核心部分，捕捉时序依赖性。隐藏层的输出不仅取决于当前的输入，还取决于前一时刻的隐藏状态。
• 输出层：根据隐藏层的输出生成最终的预测结果。

循环神经网络（RNN）

解决问题

• 序列数据处理：RNN能够处理多个输入对应多个输出的情况，尤其适用于序列数据，如时间序列、语音或文本，其中每个输出与当前的及之前的输入都有关。
• 循环连接：RNN中的循环连接使得网络能够捕捉输入之间的关联性，从而利用先前的输入信息来影响后续的输出。

工作原理

• 输入层：先对句子“what time is it ？”进行分词，然后按照顺序输入。

对句子进行分词

• 隐藏层：在此过程中，我们注意到前面的所有输入都对后续的输出产生了影响。圆形隐藏层不仅考虑了当前的输入，还综合了之前所有的输入信息，能够利用历史信息来影响未来的输出。

前面所有的输入都对后续的输出产生了影响

• 输出层：生成最终的预测结果：Asking for the time。

输出结果：Asking for the time

应用场景

（1）处理数据

• 文本数据：处理文本中单词或字符的时序关系，并进行文本的分类或翻译。
• 语音数据：处理语音信号中的时许信息，并将其转换为相应的文本。
• 时间序列数据：处理具有时间序列特征的数据，如股票价格、气候变化等。
• 视频数据：处理视频帧序列，提取视频中的关键特征。

（2）实际应用

• 文本生成：填充给定文本的空格或预测下一个单词。典型场景：对话生成。
• 机器翻译：学习语言之间的转换规则，并自动翻译。典型场景：在线翻译。
• 语音识别：将语音转换成文本。典型场景：语音助手。
• 视频标记：将视频分解为一系列关键帧，并为每个帧生成内容匹配的文本描述。典型场景：生成视频摘要。

三、什么是LSTM

长短期记忆网络（LSTM）：一种特殊的循环神经网络，通过引入内存块和门控机制来解决梯度消失问题，从而更有效地处理和记忆长期依赖信息。（RNN的优化算法）

网络结构

1. 细胞状态（Cell state）：负责保存长期依赖信息。
2. 门控结构：每个LSTM单眼包含三个门：输入门、遗忘门和输出门。

•         遗忘门（Forget Gate）：决定从细胞状态中丢弃哪些信息。
•         输入门（Input Gate）：决定哪些新信息被加入到细胞状态中。
•         输出门（Output Gate）：基于细胞状态决定输出的信息。

长短期记忆网络（LSTM）

解决问题

• 短时记忆：RNN难以捕捉和利用序列中的长期依赖关系，从而限制了其在处理复杂任务时的性能。
• 梯度消失/梯度爆炸：在RNN的反向传播过程中，梯度会随着时间步的推移而逐渐消失（变得非常小）或爆炸（变得非常大）。

工作原理

LSTM的细胞结构和运算

• 输入门：决定哪些新信息应该被添加到记忆单元中

由一个sigmoid激活函数和一个tanh激活函数组成。sigmoid函数决定哪些信息是重要的，而tanh函数则生成新的候选信息。

输入门（sigmoid激活函数 + tanh激活函数）

• 遗忘门：决定哪些旧信息应该从记忆单元中遗忘或移除

遗忘门仅由一个sigmoid激活函数组成。

sigmoid激活函数（区间0～1）

遗忘门（sigmoid激活函数）

• 输出门：决定记忆单元中的哪些信息应该被输出到当前时间步的隐藏状态中。

输出门同样由一个sigmoid激活函数和一个tanh激活函数组成。sigmoid函数决定哪些信息应该被输出，而tanh函数则处理记忆单元的状态以准备输出。

输出门（sigmoid激活函数 + tanh激活函数）

应用场景

（1）机器翻译

应用描述：

• LSTM在机器翻译中用于将源语言句子自动翻译成目标语言句子。

关键组件：

• 编码器（Encoder）：一个LSTM网络，负责接收源语言句子并将其编码成一个固定长度的上下文向量。
• 解码器（Decoder）：另一个LSTM网络，根据上下文向量生成目标语言的翻译句子。

流程：

1. 源语言输入：将源语言句子分词并转换为词向量序列。
2. 编码：使用编码器LSTM处理源语言词向量序列，输出上下文向量。
3. 初始化解码器：将上下文向量作为解码器LSTM的初始隐藏状态。
4. 解码：解码器LSTM逐步生成目标语言的词序列，直到生成完整的翻译句子。
5. 目标语言输出：将解码器生成的词序列转换为目标语言句子。

优化：

• 通过比较生成的翻译句子与真实目标句子，使用反向传播算法优化LSTM模型的参数，以提高翻译质量。

（2）情感分析

应用描述：

• LSTM用于对文本进行情感分析，判断其情感倾向（积极、消极或中立）。

关键组件：

• LSTM网络：接收文本序列并提取情感特征。
• 分类层：根据LSTM提取的特征进行情感分类。

流程：

1. 文本预处理：将文本分词、去除停用词等预处理操作。
2. 文本表示：将预处理后的文本转换为词向量序列。
3. 特征提取：使用LSTM网络处理词向量序列，提取文本中的情感特征。
4. 情感分类：将LSTM提取的特征输入到分类层进行分类，得到情感倾向。
5. 输出：输出文本的情感倾向（积极、消极或中立）。

优化：

• 通过比较预测的情感倾向与真实标签，使用反向传播算法优化LSTM模型的参数，以提高情感分析的准确性。

四、什么是Transformer

Transformer：一种基于自注意力机制的神经网络结构，通过并行计算和多层特征抽取，有效解决了长序列依赖问题，实现了在自然语言处理等领域的突破。

网络结构

由输入部分输入输出嵌入与位置编码）、多层编码器、多层解码器以及输出部分（输出线性层与Softmax）四大部分组成。

Transformer架构

输入部分：

• 源文本嵌入层：将源文本中的词汇数字表示转换为向量表示，捕捉词汇间的关系。
• 位置编码器：为输入序列的每个位置生成位置向量，以便模型能够理解序列中的位置信息。
• 目标文本嵌入层（在解码器中使用）：将目标文本中的词汇数字表示转换为向量表示。

编码器部分：

• 由N个编码器层堆叠而成。
• 每个编码器层由两个子层连接结构组成：第一个子层是多头自注意力子层，第二个子层是一个前馈全连接子层。每个子层后都接有一个规范化层和一个残差连接。

解码器部分：

• 由N个解码器层堆叠而成。
• 每个解码器层由三个子层连接结构组成：第一个子层是一个带掩码的多头自注意力子层，第二个子层是一个多头自注意力子层（编码器到解码器），第三个子层是一个前馈全连接子层。每个子层后都接有一个规范化层和一个残差连接。

输出部分：

• 线性层：将解码器输出的向量转换为最终的输出维度。
• Softmax层：将线性层的输出转换为概率分布，以便进行最终的预测。

解决问题

• 长期依赖问题：在处理长序列输入时，传统的循环神经网络（RNN）会面临长期依赖问题，即难以捕捉序列中的远距离依赖关系。Transformer模型通过自注意力机制，能够在不同位置对序列中的每个元素赋予不同的重要性，从而有效地捕捉长距离依赖关系。
• 并行计算问题：传统的RNN模型在计算时需要按照序列的顺序依次进行，无法实现并行计算，导致计算效率较低。而Transformer模型采用了编码器-解码器结构，允许模型在输入序列上进行编码，然后在输出序列上进行解码，从而实现了并行计算，大大提高了模型训练的速度。
• 特征抽取问题：Transformer模型通过自注意力机制和多层神经网络结构，能够有效地从输入序列中抽取丰富的特征信息，为后续的任务提供更好的支持。

工作原理

Transformer工作原理

• 输入线性变换：对于输入的Query（查询）、Key（键）和Value（值）向量，首先通过线性变换将它们映射到不同的子空间。这些线性变换的参数是模型需要学习的。
• 分割多头：经过线性变换后，Query、Key和Value向量被分割成多个头。每个头都会独立地进行注意力计算。
• 缩放点积注意力：在每个头内部，使用缩放点积注意力来计算Query和Key之间的注意力分数。这个分数决定了在生成输出时，模型应该关注Value向量的部分。
• 注意力权重应用：将计算出的注意力权重应用于Value向量，得到加权的中间输出。这个过程可以理解为根据注意力权重对输入信息进行筛选和聚焦。
• 拼接和线性变换：将所有头的加权输出拼接在一起，然后通过一个线性变换得到最终的Multi-Head Attention输出。

详情了解看这篇：神经网络算法 —— 一文搞懂Transformer ！！_神经网络和transformer-CSDN博客

BERT

BERT是一种基于Transformer的预训练语言模型，它的最大创新之处在于引入了双向Transformer编码器，这使得模型可以同时考虑输入序列的前后上下文信息。

BERT架构

1. 输入层（Embedding）：

• Token Embeddings：将单词或子词转换为固定维度的向量。
• Segment Embeddings：用于区分句子对中的不同句子。
• Position Embeddings：由于Transformer模型本身不具备处理序列顺序的能力，所以需要加入位置嵌入来提供序列中单词的位置信息。

2. 编码层（Transformer Encoder）：

• BERT模型使用双向Transformer编码器进行编码。

3. 输出层（Pre-trained Task-specific Layers）：

• MLM输出层：用于预测被掩码（masked）的单词。在训练阶段，模型会随机遮盖输入序列中的部分单词，并尝试根据上下文预测这些单词。
• NSP输出层：用于判断两个句子是否为连续的句子对。在训练阶段，模型会接收成对的句子作为输入，并尝试预测第二个句子是否是第一个句子的后续句子。

GPT

GPT也是一种基于Transformer的预训练语言模型，它的最大创新之处在于使用了单向Transformer编码器，这使得模型可以更好地捕捉输入序列的上下文信息。

GPT架构

1. 输入层（Input Embedding）：

• 将输入的单词或符号转换为固定维度的向量表示。
• 可以包括词嵌入、位置嵌入等，以提供单词的语义信息和位置信息。

2. 编码层（Transformer Encoder）：

• GPT模型使用单向Transformer编码器进行编码和生成。

3. 输出层（Output Linear and Softmax）：

• 线性输出层将最后一个Transformer Decoder Block的输出转换为词汇表大小的向量。
• Softmax函数将输出向量转换为概率分布，以便进行词汇选择或生成下一个单词。

参考：架构师带你玩转AI