CN111858989B - 一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法，其特征在于，具体的步骤为：步骤1，下载数据集；步骤2，对数据集进行预处理，得到预处理数据集；步骤3，建立脉冲卷积神经网络模型，所述脉冲卷积神经网络模型采用漏积分点火神经元模型；步骤4，采用所述脉冲卷积神经网络模型对预处理数据集进行训练，得到训练好的脉冲卷积神经网络模型；步骤5，输入待分类的图片，采用训练好的脉冲卷积神经网络模型对待分类进行分类，得到分类结果。本发明解决了现有技术中存在的图片分类效果不好的问题。
Description
技术领域
本发明属于图像分类技术领域，涉及一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法。
背景技术
视觉注意力机制是人类视觉所特有的大脑信号处理机制。大脑在进行视觉任务时，总是会优先获取认为有用的信息，而将次要的内容直接抛弃。注意力机制具有使神经网络只专注于选择特定的特征输入的能力。应用注意力机制，可以提高神经网络信息处理的效率和准确率。目前注意力机制在深度学习领域应用广泛且取得了不错的效果。
图像分类是计算机视觉领域的基本研究问题，对图像分类的研究具有广泛的应用价值。传统图像分类技术需要消耗大量时间来进行人工特征的提取，算法的效率低下。随着计算机计算能力的提升，GPU加速技术的发展，深度卷积神经网络在图像分类问题上取得了质的飞跃。但由于卷积神经网络深度和复杂度的不断提高，需要大量的计算成本和存储需求，导致卷积神经网络在处理图像问题上功耗往往比较高，阻碍了卷积神经网络在实际应用上的发展。虽然已有许多研究通过改进网络优化算法，提高了参数的寻优能力，但也无法在不丢失大量精度的前提下降低网络参数的复杂度。如何做到分类准确率高、低功耗且适用于硬件的人工神经网络，是目前图像分类所要解决的问题。
被称为第三代神经网络的脉冲神经网络是目前最具有生物解释性的人工神经网络，是类脑智能领域的核心组成部分。生物学研究表明，生物神经元实际上是以一种电脉冲的形式来进行信息交流的，生物能够快速的对外界刺激做出反应是因为生物神经网络的信息传递依赖于具体的脉冲时间。基于此，Maass提出了基于脉冲神经元的新型神经网络，即脉冲神经网络。从理论上来说，相比于传统神经网络，脉冲神经网络更加强大。现有的利用脉冲神经网络处理图像分类问题中，仅使用一层脉冲神经网络应用于图像，很难模拟大脑特性，很难得到更好的分类效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法，解决了现有技术中存在的图片分类效果不好的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法，具体的步骤为：
步骤1，下载数据集；
步骤2，对数据集进行预处理，得到预处理数据集；
步骤3，建立脉冲卷积神经网络模型，所述脉冲卷积神经网络模型的拓扑结构为依次连接的输入层、高斯差分时序编码层、第一脉冲卷积注意力层、第一脉冲池化层、第二脉冲卷积注意力层、第二脉冲池化层、分类层；所述脉冲卷积神经网络模型采用漏积分点火神经元模型；
步骤4，采用所述脉冲卷积神经网络模型对预处理数据集进行训练，得到训练好的脉冲卷积神经网络模型；
步骤5，输入待分类的图片，采用训练好的脉冲卷积神经网络模型对待分类进行分类，得到分类结果。
本发明的特点还在于，
所述漏积分点火神经元模型中膜电位Vm(t)的变化过程由一个一阶微分方程描述，如公式(1)所示：
其中，Vm(t)表示神经元的膜电位，Vrest是静息电位，时间常数τm是膜电阻Rm和膜电容Cm的乘积，I(t)是突触后神经元的输入电流；当突触后膜电位Vm(t)超过阈值电位Vthres时，突触后神经元发放脉冲，膜电位恢复至静息电位，之后神经元进入不应期，不会再产生脉冲。
所述预处理的具体方法为：将数据集中的所有图片统一转化为28×28的灰度图片格式后再转化为张量格式，所述张量形式为T×C×H×W，分别对应于时间步长，通道数，图像的高度和宽度；所述输入层神经元的个数为28×28。
所述高斯差分时序编码层，采用高斯差分滤波器与图像卷积提取边缘特征，之后对边缘特征进行归一化处理，将归一化处理的结果编码为脉冲时间序列。
所述第一脉冲卷积注意力层和第二脉冲卷积注意力层均采用突触后膜电位进行脉冲的激活，同时应用卷积注意力机制，提取更高维度的特征。
所述第一脉冲池化层和第二脉冲池化层均采用最大池化操作。
所述分类层采用支持向量机进行分类。
在所述第一脉冲卷积注意力层和第二脉冲卷积注意力层突触上采用STDP学习规则进行网络权重的学习和更新。
本发明的有益效果是
一、本发明充分融合了脉冲神经网络和卷积神经网络的优势，所设计的脉冲卷积神经网络模型具有训练和识别速度快，节约了大量的计算成本，且网络分类效果很好。
二、本发明的网络结构中加入了轻量级的注意力机制模块，不仅提高了网络的计算性能和分类效果，而且更好模拟了大脑视觉特性。
三、本发明使用漏积分点火神经元模拟生物神经元，采用STDP学习算法学习多层脉冲神经网络的权值，本发明采用的脉冲神经元模型和学习方法更符合生物神经元特性。
附图说明
图1是本发明一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法的流程图；
图2是本发明一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法的网络结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
发明一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法，如图1和图2，具体的步骤为：
步骤1，下载数据集；
步骤2，对数据集进行预处理，得到预处理数据集；
步骤3，建立脉冲卷积神经网络模型，所述脉冲卷积神经网络模型的拓扑结构为依次连接的输入层、高斯差分时序编码层、第一脉冲卷积注意力层、第一脉冲池化层、第二脉冲卷积注意力层、第二脉冲池化层、分类层；
所述脉冲卷积神经网络模型采用漏积分点火神经元模型，其膜电位Vm(t)的变化过程由一个一阶微分方程描述，如公式(1)所示：
其中，Vm(t)表示神经元的膜电位，Vrest是静息电位，时间常数τm是膜电阻Rm和膜电容Cm的乘积，I(t)是突触后神经元的输入电流；当突触后膜电位Vm(t)超过阈值电位Vthres时，突触后神经元发放脉冲，膜电位恢复至静息电位，之后神经元进入不应期，不会再产生脉冲。
步骤4，采用所述脉冲卷积神经网络模型对预处理数据集进行训练，得到训练好的脉冲卷积神经网络模型。
步骤5，输入待分类的图片，采用训练好的脉冲卷积神经网络模型对待分类进行分类，得到分类结果。
步骤2中，预处理方法为：将数据集中的所有图片统一转化为28×28的灰度图片格式后再转化为张量格式，因脉冲神经元的激活与脉冲发放的时间有关以及本发法采用Pytorch来构建网络模型，故增加了时间概念，张量格式将作为脉冲卷积神经网络模型的输入，其中张量形式为T×C×H×W，分别表示时间步长、通道数、图像的高度和宽度。
高斯差分时序编码层采用高斯差分滤波器与图像卷积提取边缘特征，之后对边缘特征进行归一化处理，将归一化处理的结果编码为脉冲时间序列，具体的步骤为：
步骤2.1.1，输入为28×28的灰度图；采用两个二维高斯函数作差得到两个高斯差分滤波器，使用高斯差分滤波器与输入的灰度图卷积得到边缘特征，高斯差分滤波器的构造过程如公式(2)～公式(4)所示：
DoG(x,y,σ1,σ2)＝G1(x,y,σ1)-G2(x,y,σ2) (2)
其中DoG是构造好的高斯差分滤波器，G1是第一个二维高斯函数，G2是第二个二维高斯函数，σ1和σ2分别表示相应高斯函数的标准差。
步骤2.1.2，局部归一化，记高斯差分滤波器与灰度图卷积的结果为F，设定F的半径为r，采用二维卷积法计算得到F的局部域均值means，其中F的局部域大小为(2r+1)×(2r+1)，二维卷积核模板kernel的大小也为(2r+1)×(2r+1)，kernel中的值为其中input为F局部域中的像素值，最后对F的局部归一化结果为/>
步骤2.1.3，将步骤2.1.2的结果记为local_norm,将local_norm编码为脉冲时序：首先统计local_norm中不为0的像素值的个数nonzero_cnt，总的时间步长记为timesteps，得到单位时间步长不为0的像素值个数将local_norm按行重构，得到一维序列，在对一维序列降序排序，然后按单位时间步长不为0的像素值个数分割排序后的序列，得到排序后的像素值和索引，之后在每个时间步长上将排序后的像素值和索引在时间维度上填充，得到四维张量像素值，取像素值的符号作为编码脉冲，得到脉冲时间序列。
第一脉冲卷积注意力层和第二脉冲卷积注意力层将脉冲时间序列激活并应用于卷积注意力机制，提取更高维度的特征；
第一脉冲卷积注意力层和第二脉冲卷积注意力层的输入为均为脉冲时间序列，一个脉冲卷积运算由公式(5)表示。
其中，Ti表示神经元i的放电时间序列集合，wij表示突触前神经元j和突触后神经元i的突触权重，uij表示神经元i的突触后膜电位，表示神经元j在f时刻的放电时间，v为阈值电位，本文设置静息电位为0。整个公式表示的是对突触后电位的加权和，当突触后电位的加权和超过阈值电位时，就会在时间t产生一个脉冲，之后回到静息电位。
在第一脉冲卷积注意力层和第二脉冲卷积注意力层采用突触后膜电位函数uij来进行脉冲放电激活，由式(6)表示：
其中，H(*)是赫维赛德阶跃函数，q是注入突触后神经元i的总电荷，表示神经元j在f时刻的放电时间，τs是突触电流时间延迟常数。
第一脉冲卷积注意力层和第二脉冲卷积注意力层突触上执行STDP学习规则进行网络权重的学习和更新。
STDP学习规则为：当突触前神经元在突触后神经元之前发放脉冲，则两个神经元之间的突触连接增强，否则，两个神经元之间的突触连接减弱。据此计算出突触权值变化如公式(7)所示Δij：
其中，a+和a-分别对应突触连接增强和突触连接减弱的学习率，Wij是突触前神经元j和突触后神经元i的突触连接权值，tj和ti分别表示相应的脉冲发放时间。
第一脉冲池化层和第二脉冲池化层采用最大池化操作，脉冲激活也是基于突触后电位的。
分类层采用支持向量机来进行特征的分类。
实施例1
执行步骤1，采用MNIST数据集作为数据集；
MNIST数据集来自美国国家标准与技术研究所(NIST)。训练集由来自250个不同人手写的数字构成，其中50％是高中学生，50％来自人口普查局的工作人员。测试集也是同样比例的手写数字数据.MNIST数据集对0到9这10个数字进行分类识别的，训练集包含60000张图片，测试集包含10000张图片。
执行步骤2～4：
高斯差分时序编码层中，σ1和σ2分别为1和2，本实施例中高斯核窗口大小为7，即x和y的取值范围为[-3,3]，
其中二维卷积核模板kernel的大小设置为17×17；
第一脉冲卷积注意力层和第二脉冲卷积注意力层中，初始随机权重均服从均值为0.8，标准差为0.05的正态分布，网络的学习率a+和a-分别设为0.004和-0.003；
网络采用分层迭代的方式来训练，第一脉冲卷积注意力层和第二脉冲卷积注意力层的迭代次数分别设置为2和20；
网络分类层中支持向量机的惩罚参数设置为2.4。
执行步骤5，将测试集中所有图片作为待分类的图片，得出分类结果，如表1为本实施例中每个类别的分类准确率表，本发明方法除了对类别“3”和“8”的分类准确率在97％以外，其他8种类别的分类准确率均在98％以上，特别是对类别“1”和“4”以及“6”的分类准确率均达到了99％以上，通过计算可以得到，本发明方法在MNIST测试集上的平均分类准确率为98.42％。这充分表明了本发明方法的有效性。
表1本发明方法在MNIST数据集中每个类别的分类准确率。
Claims (5)
1.一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法，其特征在于，具体的步骤为：
步骤1，下载数据集；
步骤2，对数据集进行预处理，得到预处理数据集；
步骤3，建立脉冲卷积神经网络模型，所述脉冲卷积神经网络模型的拓扑结构为依次连接的输入层、高斯差分时序编码层、第一脉冲卷积注意力层、第一脉冲池化层、第二脉冲卷积注意力层、第二脉冲池化层、分类层，第一脉冲卷积注意力层和第二脉冲卷积注意力层均采用突触后膜电位进行脉冲的激活，同时应用卷积注意力机制，提取更高维度的特征，第一脉冲卷积注意力层和第二脉冲卷积注意力层突触上采用STDP学习规则进行网络权重的学习和更新；所述脉冲卷积神经网络模型采用漏积分点火神经元模型；漏积分点火神经元模型中膜电位Vm(t)的变化过程由一个一阶微分方程描述，如公式(1)所示：
其中，Vm(t)表示神经元的膜电位，VrestVrest是静息电位，时间常数τm是膜电阻Rm和膜电容Cm的乘积，I(t)是突触后神经元的输入电流；当突触后膜电位Vm(t)超过阈值电位Vthres时，突触后神经元发放脉冲，膜电位恢复至静息电位，之后神经元进入不应期，不会再产生脉冲；
步骤4，采用所述脉冲卷积神经网络模型对预处理数据集进行训练，得到训练好的脉冲卷积神经网络模型；
步骤5，输入待分类的图片，采用训练好的脉冲卷积神经网络模型对待分类进行分类，得到分类结果。
2.如权利要求1所述的一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法，其特征在于，所述预处理的具体方法为：将数据集中的所有图片统一转化为28×28的灰度图片格式后再转化为张量格式，所述张量形式为T×C×H×W，分别对应于时间步长，通道数，图像的高度和宽度；所述输入层神经元的个数为28×28。
3.如权利要求1所述的一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法，其特征在于，所述高斯差分时序编码层，采用高斯差分滤波器与图像卷积提取边缘特征，之后对其进行归一化处理，将其编码为脉冲时间序列。
4.如权利要求1所述的一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法，其特征在于，所述第一脉冲池化层和第二脉冲池化层均采用最大池化操作。
5.如权利要求1所述的一种基于注意力机制的脉冲卷积神经网络的图像分类方法，其特征在于，所述分类层采用支持向量机进行分类。
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