Рециркуляционные нейронные сети

Рециркуляционные нейронные сети.

Рециркуляционные нейронные сети представляют собой многослойные нейронные сети с обратным распространение информации. При этом обратное распространение информации происходит по двунаправленным связям, которые имеют в различных направлениях разные весовые коэффициенты. При обратном распространении сигналов, в таких сетях осуществляется преобразование их с целью восстановления входного образа. В случае прямого распространения сигналов происходит сжатие входных данных. Обучение рециркуляционных сетей производится без учителя.

Рециркуляционные сети характеризуются как прямым Y=f(X), так и обратным X=f(Y) преобразованием информации. Задачей такого преобразования является достижение наилучшего автопрогноза или самовоспроизводимости вектора X. Рециркуляционные нейронные сети применяются для сжатия (прямое преобразование) и восстановления исходной (обратное преобразование) информации. Такие сети являются самоорганизующимися в процессе работы. Они были предложены в 1988 году. Теоретической основой рециркуляционных нейронных сетей является анализ главных компонент.

Метод главных компонент

Метод главных компонент применяется в статистике для сжатия информации без существенных потерь ее информативности. Он состоит в линейном ортогональном преобразовании входного вектора X размерности n в выходной вектор Y размерности p, где p<n. При этом компоненты вектора Y являются некоррелированными и общая дисперсия после преобразования остается неизменной. Совокупность входных паттернов представим в виде матрицы:

где

соответствует k-му входному образу, L — общее количество образов.

Будем считать, что матрица X является центрированной, то есть вектор математических ожиданий µ=0. Этого добиваются при помощи следующих преобразований:

Матрица ковариаций входных данных X определяется как

где σij — ковариация между i-ой и j-ой компонентой входных образов.

Элементы матрицы ковариаций можно вычислить следующим образом:

где i,j = 1,…,n.

Метод главных компонент состоит в нахождении таких линейных комбинаций исходных переменных

что

Из последних выражений следует, что переменные уi некоррелированы, упорядочены по возрастанию дисперсии и сумма дисперсий входных образов остается без изменений. Тогда подмножество первых р переменных у характеризует большую часть общей дисперсии. В результате получается представление входной информации.

Переменные у, i = 1,…,p называются главными компонентами. В матричной форме преобразование главных компонент можно представить как

где строки матрицы WT должны удовлетворять условию ортогональности, т.е

при этом вектор Wi определяется как

Для определения главных компонент необходимо определить весовые коэффициенты Wi,j = 1,…,p.

Архитектура рециркуляционной нейронной сети

Рециркуляционная нейронная сеть представляет собой совокупность двух слоев нейронных элементов, которые соединены между собой двунаправленными связями.

Каждый из слоев нейронных элементов может использоваться в качестве входного или выходного. Если слой нейронных элементов служит в качестве входного, то он выполняет распределительные функции.

В противном случае нейронные элементы слоя являются обрабатывающими. Весовые коэффициенты соответствующие прямым и обратным связям характеризуются матрицей весовых коэффициентов W и W’. Для наглядности, рециркуляционную сеть можно представить в развернутом виде.

Такое представление сети является эквивалентным и характеризует полный цикл преобразования информации. При этом промежуточный слой нейронных элементов производит кодирование (сжатие) входных данных X, а последний слой осуществляет восстановление сжатой информации Y. Назовем слой нейронной сети, соответствующий матрице связи W прямым, а соответствующий матрице связей W’ — обратным.

Рециркуляционная сеть предназначена как для сжатия данных, так и для восстановления сжатой информации. Сжатие данных осуществляется при прямом преобразовании информации в соответствие с выражением:

Восстановление или реконструкция данных происходит при обратном преобразовании информации:

В качестве функции активации нейронных элементов F может использоваться как линейная, так и нелинейная функции. При использовании линейной функции активации:

Линейные рециркуляционные сети, в которых весовые коэффициенты определяются в соответствии с методом главных компонент называются РСА сетями.

Обработка изображений

Рециркуляционные нейронные сети можно применять для сжатия и восстановления изображений. Изображение делится на блоки. Блок называется окном, которому в соответствие ставится рециркуляционная нейронная сеть. Количество нейронов первого слоя сети соответствует размерности окна (количеству пикселей; иногда каждый цвет отдельно). Сканируя изображение при помощи окна и подавая его на нейронную сеть, можно сжать входное изображение. Сжатое изображение можно восстановить при помощи обратного распространения информации.

Пример работы нейронной сети можно увидеть ниже:

Слева исходное изображение, справа — восстановленное после сжатия. Использовалось окно размером 3 на 3 пикселя, количество нейронов на втором слое — 21, максимальная допустимая ошибка — 50. Коэффициент сжатия составил 0,77. Для обучения нейронной сети потребовалось 129 итераций.