ディープラーニングについて調べていると、 画像認識に使われる手法として畳み込みニューラルネットワークの解説 が見つかりますが、 「図も数式もわかりにくくて頭の中が真っ白。どんな仕組みか、数式なしで知りたい!」 という方のために、本記事では、画像認識において最もホットな 「畳み込みニューラルネットワーク」について、数式なしで丁寧に解説 していきます。 初心者でも理解できるよう、画像分析に至るまでの手順も解説していますので、ぜひ最後まで読んで、畳み込みニューラルネットワークの概要を掴んでください。 畳み込みニューラルネットワーク(CNN)とは?何に使えるの?
2. LeNet 🔝 1998年に ヤン・ルカン (Yann LeCun)による LeNet が手書き数字認識において優れた性能を発揮するCNNとして注目を集めました。LeNetには現在のCNNの先駆けであり、以下のような層を含んでいます。 畳み込み層 プーリング層 ( サブサンプリング層 ) 全結合層 ネオコグニトロンでのS細胞層がLeNetにおける畳み込み層、C細胞層がプーリング層に対応します。ただし、LeNetはネオコグニトロンとは違って、これらの層を誤差逆伝播法で訓練しました。 2012年に ILSVRC で初めてディープラーニングを導入して優勝した AlexNet などと比べると小規模なネットワークですが、手書き数字の認識の性能はすでに実用レベルでした。 画像元: Wikipedia この頃はまだ、シグモイド関数を隠れ層で使っていたのが見えて興味深いですね。憶測ですが、 勾配消失 を避けるためにあまり層を増やせなかったのかもしれません。AlexNetではReLU関数が使われています。 3. 3.
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なお,プーリング層には誤差逆伝播法によって調整すべきパラメータは存在しません. 画像分類タスクでは,プーリング層で画像サイズを半分にすることが多いです(=フィルタサイズ$2\times 2$,ストライド$s=2$). 全結合層 (Fully connected layer) CNNの最終的な出力が画像以外の場合(例えば,物体の名称)に,CNNの最後に使用されるのが全結合層になります. 畳み込み層もしくはプーリング層の出力は$(H, W, C)$の3次元データになっているため,これらを1列に$H\times W\times C$個並べた1次元のベクトルにし,全結合層に入力します. 全結合層 全結合層は通常のニューラルネットワークと同様に,各ノードに割り当てられた重みとバイアスを用いて入力値を変換します.そして,画像分類の場合なら,最後にソフトマックス関数を適用することで確率の表現に変換します. 畳み込み層のフィルタと同様に,CNNの学習では誤差逆伝播法によって全結合層の重み$w_i$とバイアス$b$を更新します. Grad-CAM | 畳み込みニューラルネットワークが着目している部位を可視化する方法. CNNの出力が画像の場合は,全結合層ではなく,画像を拡大することが可能なTransposed Convolution (Deconvolution)という操作を行うことで,画像→画像の処理も可能になります.これに関してはまた別の機会に解説したいと思います. まとめ 畳み込みニューラルネットワーク(CNN)とは, 畳み込み層とプーリング層を積み重ねたニューラルネットワーク のこと 画像 を扱う際に最もよく使用されているニューラルネットワーク さて,CNNの解説はいかがだったでしょうか.ざっくり言えば,フィルタを用いて画像を変換しているだけですので,思っていたよりは難しくなかったのではないでしょうか. 実際にCNNを用いて画像分類を実行するプログラムを こちらの記事 で紹介していますので,もしよろしければ参考にしてみて下さい. また,これを機会に人工知能に関する勉強やプログラミングを始めたい方は以下の記事も参考にしてみてください. ゼロからはじめる人工知能【AI入門】 プログラミングの始め方【初心者向け】
グラフ畳み込みニューラルネットワーク(GCN)の医療への応用例 医療への応用の例として、GCNで、急性中毒の高精度診断が可能になっています。 ここでは、ミュンヘン工科大学のHendrik BurwinkelらのArXiv論文 ()の概要を紹介します。 『急性中毒のコンピューター診断支援において、これまでのアプローチでは、正しい診断のための潜在的な価値があるにもかかわらず、報告された症例の年齢や性別などのメタ情報(付加的な情報)は考慮されていませんでした。 Hendrik Burwinkeらは、グラフ畳み込みニューラルネットワークを用い、患者の症状に加えて、年齢層や居住地などのメタ情報をグラフ構造として、効果的に取り込んだネットワーク(ToxNet)を提案しました。 ToxNetを用いたところ、中毒症例の情報から、医師の正解数を上回る精度で、毒素を識別可能となりました。』 詳しくは下記の記事で紹介していますので、興味のある方はご覧頂ければ幸いです。 4.まとめ グラフ畳み込みニューラルネットワーク(GCN)についてなんとなくイメージがつかめましたでしょうか。 本記事では、さらっと理解できることに重点を置きました。 少しでも本記事で、GCNについて理解が深まったと感じて頂ければ幸いです。
機械学習というのは、ネットワークの出力が精度の良いものになるように学習することです。もっと具体的に言えば、損失関数(モデルの出力が正解のデータとどれだけ離れているかを表す関数)が小さくなるように学習していくことです。 では、このCNN(畳み込みニューラルネットワーク)ではどの部分が学習されていくのでしょうか? それは、畳み込みに使用するフィルターと畳み込み結果に足し算されるバイアスの値の二つです。フィルターの各要素の数値とバイアスの数値が更新されていくことによって、学習が進んでいきます。 パディングについて 畳み込み層の入力データの周りを固定の数値(基本的には0)で埋めることをパディングといいます。 パディングをする理由は パディング処理を行わない場合、端っこのデータは畳み込まれる回数が少なくなるために、画像の端のほうのデータが結果に反映されにくくなる。 パディングをすることで、畳み込み演算の出力結果のサイズが小さくなるのを防ぐことができる。 などが挙げられます。 パディングをすることで畳み込み演算のサイズが小さくなるのを防ぐとはどういうことなのでしょうか。下の図に、パディングをしないで畳み込み演算を行う例とパディングをしてから畳み込み演算を行う例を表してみました。 この図では、パディングありとパディングなしのデータを$3\times3$のフィルターで畳み込んでいます。 パディングなしのほうは畳み込み結果が$2\times2$となっているのに対して、パディング処理を行ったほうは畳み込み結果が$4\times4$となっていることが分かりますね。 このように、パディング処理を行ったほうが出力結果のサイズが小さくならずに済むのです。 畳み込みの出力結果が小さくなるとなぜ困るのでしょう?
アドミッション・ポリシー 人間科学研究科の教育理念と求める学生像を示します。 大学院講座 大学院のスタッフと研究内容を紹介します。 大学院入試 外国語科目の試験方法が変更されます。 社会人特別入試 社会人に対する特別選抜入試の案内です。 その他の出願 研究生と科目等履修生の出願に関する案内です。 長期履修制度 特別な事情がある場合、標準修業年限を超えて教育課程を履修することもできます。 就職支援 修了者の進路と取得可能な免許・資格を載せています。
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