19. CNN 기초

1. CNN(Convolutional Neural Network)

• 합성곱 인공 신경망(레이어 앞에 또 다른 알고리즘이 붙은 경우)
• 전통적인 뉴럴 네트워크에 컨볼루셔널 레이어를 붙인 형태
• 컨볼루셔널 레이어를 통해 입력 받은 이미지에 대한 특정(Feature)을 추출하게 되고, 추출한 특징을 기반으로 기존의 뉴럴 네트워크에 이용하여 분류
• 컨볼루셔널 레이어는 일반적인 딥러닝에 좌표를 부여받아 입력해줌으로서 좀 더 효율적인 영상 데이터 분석이 가능하게 해줌

 

1-1. CNN을 사용하는 이유

• 이미지를 분류할 때 DNN(Deep Nerual Network)의 문제점
  • 일반적인 DNN은 1차원 형태의 데이터를 사용해야 함
  • 2차원 이상의 데이터가 입력되는 경우 flatten 시켜서 한 줄로 데이터를 변환 후 넣어야 함
  • 이미지의 공간적/지역적 정보가 손실
• CNN은 이미지를 그대로(Raw Input) 받음으로 공간적/지역적 정보를 유지

 

1-2. CNN에서의 이미지 데이터

• 컬러 이미지는 3개의 채널로 이루어진 텐서
• 컴퓨터는 이미지를 숫자로 인식하여 연산을 함

• 이미지의 정보는 0 ~ 255 까지의 256개의 숫자로 표현
• 예) 빨강 255, 파랑 255, 초록 255 -> 흰색
  예) 빨강 0, 파랑 0, 초록 0 -> 검정
  예) 빨강 255, 파랑 0, 초록 0 -> 빨강

 

2. Convolution 연산

• 컨볼루션 연산을 진행하면 출력 텐서의 크기가 작아짐

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• 패딩: 입력값 주위로 0을 넣어서 입력값의 크기를 인위적으로 키워 결과값이 작아지는 것을 방지

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• 2D 컨볼루션: 컬러이미지에서는 2D 컨볼루션 연산을 수행

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• 풀링: 중요한 특징을 추출하고 차원을 축소하기 위해 풀링 연산을 사용, MaxPool(MaxPool2D) 또는 AvgPool(AvgPool2D) 사용
• 스트라이드:필터를 적용하는 간격을 설정

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• 드롭아웃(Dropout) 레이어
  • 오버피팅을 막기 위해 사용하는 레이어
  • 학습중일 때 랜덤하게 값을 발생하여 학습을 방해함으로 학습용 데이터에 결과가 치우치는 것을 방지함
• FC Layer(Fully Connected Layer)
  • 이미지를 분류 또는 예측하기 위해 사용되는 레이어

 

3. CNN을 구성하는 레이어

• Conv2D : 특징 추출
• ReLU : 활성화 함수
• MaxPool2D : 차원축소
• Conv2D : 특징 추출
• ReLU : 활성화 함수
• MaxPool2D : 차원축소
• ...
• Flatten : 다차원에서 1차원으로 변경
• Linear : 선형 회귀
• ReLU: 활성화 함수
• ...
• Sigmoid / Softmax 출력

 

4. CNN 체험

• https://adamharley.com/nn_vis/