神经网络逆模型如何辩识

⑴ 神经网络BP模型

一、BP模型概述

误差逆传播(Error Back-Propagation)神经网络模型简称为BP(Back-Propagation)网络模型。

Pall Werbas博士于1974年在他的博士论文中提出了误差逆传播学习算法。完整提出并被广泛接受误差逆传播学习算法的是以Rumelhart和McCelland为首的科学家小组。他们在1986年出版“Parallel Distributed Processing，Explorations in the Microstructure of Cognition”(《并行分布信息处理》)一书中，对误差逆传播学习算法进行了详尽的分析与介绍，并对这一算法的潜在能力进行了深入探讨。

BP网络是一种具有3层或3层以上的阶层型神经网络。上、下层之间各神经元实现全连接，即下层的每一个神经元与上层的每一个神经元都实现权连接，而每一层各神经元之间无连接。网络按有教师示教的方式进行学习，当一对学习模式提供给网络后，神经元的激活值从输入层经各隐含层向输出层传播，在输出层的各神经元获得网络的输入响应。在这之后，按减小期望输出与实际输出的误差的方向，从输入层经各隐含层逐层修正各连接权，最后回到输入层，故得名“误差逆传播学习算法”。随着这种误差逆传播修正的不断进行，网络对输入模式响应的正确率也不断提高。

BP网络主要应用于以下几个方面：

1)函数逼近：用输入模式与相应的期望输出模式学习一个网络逼近一个函数；

2)模式识别：用一个特定的期望输出模式将它与输入模式联系起来；

3)分类：把输入模式以所定义的合适方式进行分类；

4)数据压缩：减少输出矢量的维数以便于传输或存储。

在人工神经网络的实际应用中，80%～90%的人工神经网络模型采用BP网络或它的变化形式，它也是前向网络的核心部分，体现了人工神经网络最精华的部分。

二、BP模型原理

下面以三层BP网络为例，说明学习和应用的原理。

1.数据定义

P对学习模式(x_p，d_p)，p=1，2，…，P；

输入模式矩阵X[N][P]=(x₁，x₂，…，x_P)；

目标模式矩阵d[M][P]=(d₁，d₂，…，d_P)。

三层BP网络结构

输入层神经元节点数S0=N，i=1，2，…，S0；

隐含层神经元节点数S1，j=1，2，…，S1；

神经元激活函数f1[S1]；

权值矩阵W1[S1][S0]；

偏差向量b1[S1]。

输出层神经元节点数S2=M，k=1，2，…，S2；

神经元激活函数f2[S2]；

权值矩阵W2[S2][S1]；

偏差向量b2[S2]。

学习参数

目标误差ϵ；

初始权更新值Δ₀；

最大权更新值Δ_max；

权更新值增大倍数η⁺；

权更新值减小倍数η^-。

2.误差函数定义

对第p个输入模式的误差的计算公式为

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y2_kp为BP网的计算输出。

3.BP网络学习公式推导

BP网络学习公式推导的指导思想是，对网络的权值W、偏差b修正，使误差函数沿负梯度方向下降，直到网络输出误差精度达到目标精度要求，学习结束。

各层输出计算公式

输入层

y0_i=x_i，i=1，2，…，S0；

隐含层

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y1_j=f1(z1_j)，

j=1，2，…，S1；

输出层

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y2_k=f2(z2_k)，

k=1，2，…，S2。

输出节点的误差公式

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对输出层节点的梯度公式推导

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E是多个y2_m的函数，但只有一个y2_k与w_kj有关，各y2_m间相互独立。

其中

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则

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设输出层节点误差为

δ2_k=(d_k-y2_k)·f2′(z2_k)，

则

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同理可得

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对隐含层节点的梯度公式推导

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E是多个y2_k的函数，针对某一个w1_ji，对应一个y1_j，它与所有的y2_k有关。因此，上式只存在对k的求和，其中

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则

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设隐含层节点误差为

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则

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同理可得

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4.采用弹性BP算法(RPROP)计算权值W、偏差b的修正值ΔW，Δb

1993年德国 Martin Riedmiller和Heinrich Braun 在他们的论文“A Direct Adaptive Method for Faster Backpropagation Learning：The RPROP Algorithm”中，提出Resilient Backpropagation算法——弹性BP算法(RPROP)。这种方法试图消除梯度的大小对权步的有害影响，因此，只有梯度的符号被认为表示权更新的方向。

权改变的大小仅仅由权专门的“更新值”

确定

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其中

表示在模式集的所有模式(批学习)上求和的梯度信息，(t)表示t时刻或第t次学习。

权更新遵循规则：如果导数是正(增加误差)，这个权由它的更新值减少。如果导数是负，更新值增加。

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RPROP算法是根据局部梯度信息实现权步的直接修改。对于每个权，我们引入它的

各自的更新值

，它独自确定权更新值的大小。这是基于符号相关的自适应过程，它基

于在误差函数E上的局部梯度信息，按照以下的学习规则更新

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其中0＜η^-＜1＜η⁺。

在每个时刻，如果目标函数的梯度改变它的符号，它表示最后的更新太大，更新值

应由权更新值减小倍数因子η^-得到减少；如果目标函数的梯度保持它的符号，更新值应由权更新值增大倍数因子η⁺得到增大。

为了减少自由地可调参数的数目，增大倍数因子η⁺和减小倍数因子η^–被设置到固定值

η⁺=1.2，

η^-=0.5，

这两个值在大量的实践中得到了很好的效果。

RPROP算法采用了两个参数：初始权更新值Δ₀和最大权更新值Δ_max

当学习开始时，所有的更新值被设置为初始值Δ₀，因为它直接确定了前面权步的大小，它应该按照权自身的初值进行选择，例如，Δ₀=0.1(默认设置)。

为了使权不至于变得太大，设置最大权更新值限制Δ_max，默认上界设置为

Δ_max=50.0。

在很多实验中，发现通过设置最大权更新值Δ_max到相当小的值，例如

Δ_max=1.0。

我们可能达到误差减小的平滑性能。

5.计算修正权值W、偏差b

第t次学习，权值W、偏差b的的修正公式

W^(t)=W^(t-1)+ΔW^(t)，

b^(t)=b^(t-1)+Δb^(t)，

其中，t为学习次数。

6.BP网络学习成功结束条件每次学习累积误差平方和

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每次学习平均误差

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当平均误差MSE＜ε，BP网络学习成功结束。

7.BP网络应用预测

在应用BP网络时，提供网络输入给输入层，应用给定的BP网络及BP网络学习得到的权值W、偏差b，网络输入经过从输入层经各隐含层向输出层的“顺传播”过程，计算出BP网的预测输出。

8.神经元激活函数f

线性函数

f(x)=x，

f′(x)=1，

f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(-∞，+∞)。

一般用于输出层，可使网络输出任何值。

S型函数S(x)

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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，1)。

f′(x)=f(x)[1-f(x)]，

f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，

]。

一般用于隐含层，可使范围(-∞，+∞)的输入，变成(0，1)的网络输出，对较大的输入，放大系数较小；而对较小的输入，放大系数较大，所以可用来处理和逼近非线性的输入/输出关系。

在用于模式识别时，可用于输出层，产生逼近于0或1的二值输出。

双曲正切S型函数

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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(-1，1)。

f′(x)=1-f(x)·f(x)，

f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，1]。

一般用于隐含层，可使范围(-∞，+∞)的输入，变成(-1，1)的网络输出，对较大的输入，放大系数较小；而对较小的输入，放大系数较大，所以可用来处理和逼近非线性的输入/输出关系。

阶梯函数

类型1

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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。

f′(x)=0。

类型2

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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{-1，1}。

f′(x)=0。

斜坡函数

类型1

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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围[0，1]。

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f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。

类型2

中国矿产资源评价新技术与评价新模型

f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围[-1，1]。

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f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。

三、总体算法

1.三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b初始化总体算法

(1)输入参数X[N][P]，S₀，S₁，f₁[S₁]，S₂，f₂[S₂]；

(2)计算输入模式X[N][P]各个变量的最大值，最小值矩阵 X_max[N]，X_min[N]；

(3)隐含层的权值W₁，偏差b₁初始化。

情形1：隐含层激活函数f( )都是双曲正切S型函数

1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量X_rng[N]；

2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量X_mid[N]；

3)计算W，b的幅度因子W_mag；

4)产生[-1，1]之间均匀分布的S₀×1维随机数矩阵R_and[S₁]；

5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S₁×S₀维随机数矩阵Randnr[S₁][S₀]，随机数范围大致在[-1，1]；

6)计算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)计算隐含层的初始化权值W₁[S₁][S₀]；

8)计算隐含层的初始化偏差b₁[S₁]；

9))输出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

情形2：隐含层激活函数f( )都是S型函数

1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量X_rng[N]；

2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量X_mid[N]；

3)计算W，b的幅度因子W_mag；

4)产生[-1，1]之间均匀分布的S₀×1维随机数矩阵R_and[S₁]；

5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S₁×S₀维随机数矩阵R_andnr[S₁][S₀]，随机数范围大致在[-1，1]；

6)计算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)计算隐含层的初始化权值W₁[S₁][S₀]；

8)计算隐含层的初始化偏差b₁[S₁]；

9)输出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

情形3：隐含层激活函数f( )为其他函数的情形

1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量X_rng[N]；

2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量X_mid[N]；

3)计算W，b的幅度因子W_mag；

4)产生[-1，1]之间均匀分布的S₀×1维随机数矩阵R_and[S₁]；

5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S₁×S₀维随机数矩阵R_andnr[S₁][S₀]，随机数范围大致在[-1，1]；

6)计算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)计算隐含层的初始化权值W₁[S₁][S₀]；

8)计算隐含层的初始化偏差b₁[S₁]；

9)输出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

(4)输出层的权值W₂，偏差b₂初始化

1)产生[-1，1]之间均匀分布的S₂×S₁维随机数矩阵W₂[S₂][S₁]；

2)产生[-1，1]之间均匀分布的S₂×1维随机数矩阵b₂[S₂]；

3)输出W₂[S₂][S₁]，b₂[S₂]。

2.应用弹性BP算法(RPROP)学习三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b总体算法

函数：Train3BP_RPROP(S₀，X，P，S₁，W₁，b₁，f₁，S₂，W₂，b₂，f₂，d，TP)

(1)输入参数

P对模式(x_p，d_p)，p=1，2，…，P；

三层BP网络结构；

学习参数。

(2)学习初始化

1)

；

2)各层W，b的梯度值

，

初始化为零矩阵。

(3)由输入模式X求第一次学习各层输出y₀，y₁，y₂及第一次学习平均误差MSE

(4)进入学习循环

epoch=1

(5)判断每次学习误差是否达到目标误差要求

如果MSE＜ϵ，

则，跳出epoch循环，

转到(12)。

(6)保存第epoch-1次学习产生的各层W，b的梯度值

，

(7)求第epoch次学习各层W，b的梯度值

，

1)求各层误差反向传播值δ；

2)求第p次各层W，b的梯度值

，

；

3)求p=1，2，…，P次模式产生的W，b的梯度值

，

的累加。

(8)如果epoch=1，则将第epoch-1次学习的各层W，b的梯度值

，

设为第epoch次学习产生的各层W，b的梯度值

，

。

(9)求各层W，b的更新

1)求权更新值Δ_ij更新；

2)求W，b的权更新值

，

；

3)求第epoch次学习修正后的各层W，b。

(10)用修正后各层W、b，由X求第epoch次学习各层输出y₀，y₁，y₂及第epoch次学习误差MSE

(11)epoch=epoch+1，

如果epoch≤MAX_EPOCH，转到(5)；

否则，转到(12)。

(12)输出处理

1)如果MSE＜ε，

则学习达到目标误差要求，输出W₁，b₁，W₂，b₂。

2)如果MSE≥ε，

则学习没有达到目标误差要求，再次学习。

(13)结束

3.三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)预测总体算法

首先应用Train3lBP_RPROP( )学习三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b，然后应用三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)预测。

函数：Simu3lBP( )。

1)输入参数：

P个需预测的输入数据向量x_p，p=1，2，…，P；

三层BP网络结构；

学习得到的各层权值W、偏差b。

2)计算P个需预测的输入数据向量x_p(p=1，2，…，P)的网络输出 y₂[S₂][P]，输出预测结果y₂[S₂][P]。

四、总体算法流程图

BP网络总体算法流程图见附图2。

五、数据流图

BP网数据流图见附图1。

六、实例

实例一 全国铜矿化探异常数据BP 模型分类

1.全国铜矿化探异常数据准备

在全国铜矿化探数据上用稳健统计学方法选取铜异常下限值33.1，生成全国铜矿化探异常数据。

2.模型数据准备

根据全国铜矿化探异常数据，选取7类33个矿点的化探数据作为模型数据。这7类分别是岩浆岩型铜矿、斑岩型铜矿、矽卡岩型、海相火山型铜矿、陆相火山型铜矿、受变质型铜矿、海相沉积型铜矿，另添加了一类没有铜异常的模型(表8-1)。

3.测试数据准备

全国化探数据作为测试数据集。

4.BP网络结构

隐层数2，输入层到输出层向量维数分别为14，9、5、1。学习率设置为0.9，系统误差1e-5。没有动量项。

表8-1 模型数据表

续表

5.计算结果图

如图8-2、图8-3。

图8-2

图8-3 全国铜矿矿床类型BP模型分类示意图

实例二 全国金矿矿石量品位数据BP 模型分类

1.模型数据准备

根据全国金矿储量品位数据，选取4类34个矿床数据作为模型数据，这4类分别是绿岩型金矿、与中酸性浸入岩有关的热液型金矿、微细浸染型型金矿、火山热液型金矿(表8-2)。

2.测试数据准备

模型样本点和部分金矿点金属量、矿石量、品位数据作为测试数据集。

3.BP网络结构

输入层为三维，隐层1层，隐层为三维，输出层为四维，学习率设置为0.8，系统误差1e-4，迭代次数5000。

表8-2 模型数据

4.计算结果

结果见表8-3、8-4。

表8-3 训练学习结果

表8-4 预测结果(部分)

续表

⑵ 神经网络模型的解剖

在人体内，神经元的结构形式并非是完全相同的；但是，无论结构形式如何，神经元都是由一些基本的成份组成的。神经元的生物学解剖可以用图1—1所示的结构表示。从图中可以看出：神经元是由细胞体，树突和轴突三部分组成。 细胞体突起的最长的外伸管状纤维称为轴突。轴突最长可达1米以上。轴突是把神经元兴奋的信息传出到其它神经元的出口。
突触是一个神经元与另一个神经元之间相联系并进行信息传送的结构。如图1—2所示。它由突触前成分，突触间隙和突触后成分组成。突触前成分是一·个神经元的轴突末梢。突触间隙是突触前成分与后成分之间的距离空间，间隙一般为200—300Å。突触后成分可以是细胞体，树突或轴突。突触的存在说明：两个神经元的细胞质并不直接连通，两者彼此联系是通过突触这种结构接口的。有时．也把突触看作是神经元之间的连接。
目前，根据神经生理学研究，已经发现神经元及其间的突触起码有4种不同行为。神经元4种生物行为有：
(1)能处于抑制或兴奋状态；
(2)能产生爆发和平台两种情况；
(3)能产生抑制后的反冲；
(4)具有适应性。
突触的4种生物行为有：
(1)能进行信息综合；
(2)能产生渐次变化的传送；
(3)有电接触和化学接触等多种连接方式；
(4)会产生延时激发。
目前，人工神经网络的研究仅仅是对神经元的第一种行为和突触的第一种行为进行模拟，其它行为尚未考虑。所以，神经网络的研究只是处于起步的初级阶段，后边还有大量的工作等人们去探讨和研究。目前，神经网络的研究已向人们展示了其美好的前景；只要按阶段不断取得进展，神经元和突触的其它行为是完全可以实现人工模拟的。

⑶ 利用pytorch CNN手写字母识别神经网络模型识别多手写字母（A-Z）

往期的文章，我们分享了手写字母的训练与识别

使用EMNIST数据集训练第一个pytorch CNN手写字母识别神经网络

利用pytorch CNN手写字母识别神经网络模型识别手写字母

哪里的文章，我们只是分享了单个字母的识别，如何进行多个字母的识别，其思路与多数字识别类似，首先对图片进行识别，并进行每个字母的轮廓识别，然后进行字母的识别，识别完成后，直接在图片上进行多个字母识别结果的备注

Pytorch利用CNN卷积神经网络进行多数字（0-9）识别

根据上期文章的分享，我们搭建一个手写字母识别的神经网络

第一层，我们输入Eminist的数据集，Eminist的数据图片是一维 28*28的图片，所以第一层的输入（1，28，28），高度为1，设置输出16通道，使用5*5的卷积核对图片进行卷积运算，每步移动一格，为了避免图片尺寸变化，设置pading为2，则经过第一层卷积就输出（16，28，28）数据格式

再经过relu与maxpooling （使用2*2卷积核）数据输出（16，14，14）

第二层卷积层是简化写法nn.Conv2d(16, 32, 5, 1, 2)的第一个参数为输入通道数in_channels=16，其第二个参数是输出通道数out_channels=32, # n_filters（输出通道数），第三个参数为卷积核大小，第四个参数为卷积步数，最后一个为pading,此参数为保证输入输出图片的尺寸大小一致

全连接层，最后使用nn.linear()全连接层进行数据的全连接数据结构（32*7*7,37）以上便是整个卷积神经网络的结构，

大致为：input-卷积-Relu-pooling-卷积
-Relu-pooling-linear-output

卷积神经网络建完后，使用forward（）前向传播神经网络进行输入图片的识别

这里我们使用腐蚀，膨胀操作对图片进行一下预处理操作，方便神经网络的识别，当然，我们往期的字母数字识别也可以添加此预处理操作，方便神经网络进行预测，提高精度

getContours函数主要是进行图片中数字区域的区分，把每个数字的坐标检测出来，这样就可以 把每个字母进行CNN卷积神经网络的识别，进而实现多个字母识别的目的

首先，输入一张需要检测的图片，通过preProccessing图片预处理与getContours函数获取图片中的每个字母的轮廓位置

transforms.Compose此函数可以 把输入图片进行pytorch相关的图片操作，包括转换到torch，灰度空间转换，resize，缩放等等操作

然后加载我们前期训练好的模型

由于神经网络识别完成后，反馈给程序的是字母的 UTF-8编码，我们通过查表来找到对应的字母

字符编码表（UTF-8）

通过上面的操作，我们已经识别出了图片中包括的字母轮廓，我们遍历每个字母轮廓，获取单个字母图片数据，这里需要特殊提醒一下 ：我们知道EMNIST数据库左右翻转图片后，又进行了图片的逆时针旋转90度

这里我们使用cv2.flip(imgRes,1)函数，进行图片的镜像，并使用getRotationMatrix2D函数与warpAffine函数配合来进行图片的旋转操作，这里就没有PIL来的方便些

然后，我们对图片数据进行torch转换train_transform(imgRes)，并传递给神经网络进行识别

待识别完成后，就可以把结果备注在原始图片上

⑷ 神经网络有哪些主要分类规则并如何分类

神经网络模型的分类
人工神经网络的模型很多，可以按照不同的方法进行分类。其中，常见的两种分类方法是，按照网络连接的拓朴结构分类和按照网络内部的信息流向分类。
1
按照网络拓朴结构分类
网络的拓朴结构，即神经元之间的连接方式。按此划分，可将神经网络结构分为两大类：层次型结构和互联型结构。
层次型结构的神经网络将神经元按功能和顺序的不同分为输出层、中间层（隐层）、输出层。输出层各神经元负责接收来自外界的输入信息，并传给中间各隐层神经元；隐层是神经网络的内部信息处理层，负责信息变换。根据需要可设计为一层或多层；最后一个隐层将信息传递给输出层神经元经进一步处理后向外界输出信息处理结果。
而互连型网络结构中，任意两个节点之间都可能存在连接路径，因此可以根据网络中节点的连接程度将互连型网络细分为三种情况：全互连型、局部互连型和稀疏连接型
2
按照网络信息流向分类
从神经网络内部信息传递方向来看，可以分为两种类型：前馈型网络和反馈型网络。
单纯前馈网络的结构与分层网络结构相同，前馈是因网络信息处理的方向是从输入层到各隐层再到输出层逐层进行而得名的。前馈型网络中前一层的输出是下一层的输入，信息的处理具有逐层传递进行的方向性，一般不存在反馈环路。因此这类网络很容易串联起来建立多层前馈网络。
反馈型网络的结构与单层全互连结构网络相同。在反馈型网络中的所有节点都具有信息处理功能，而且每个节点既可以从外界接受输入，同时又可以向外界输出。

⑸ 如何通过人工神经网络实现图像识别

人工神经网络（Artificial Neural Networks）（简称ANN）系统从20 世纪40 年代末诞生至今仅短短半个多世纪，但由于他具有信息的分布存储、并行处理以及自学习能力等优点，已经在信息处理、模式识别、智能控制及系统建模等领域得到越来越广泛的应用。尤其是基于误差反向传播（Error Back Propagation）算法的多层前馈网络（Multiple-Layer Feedforward Network）(简称BP 网络)，可以以任意精度逼近任意的连续函数，所以广泛应用于非线性建模、函数逼近、模式分类等方面。

目标识别是模式识别领域的一项传统的课题，这是因为目标识别不是一个孤立的问题，而是模式识别领域中大多数课题都会遇到的基本问题，并且在不同的课题中，由于具体的条件不同，解决的方法也不尽相同，因而目标识别的研究仍具有理论和实践意义。这里讨论的是将要识别的目标物体用成像头(红外或可见光等)摄入后形成的图像信号序列送入计算机，用神经网络识别图像的问题。

一、BP 神经网络

BP 网络是采用Widrow-Hoff 学习算法和非线性可微转移函数的多层网络。一个典型的BP 网络采用的是梯度下降算法，也就是Widrow-Hoff 算法所规定的。backpropagation 就是指的为非线性多层网络计算梯度的方法。一个典型的BP 网络结构如图所示。

六、总结

从上述的试验中已经可以看出，采用神经网络识别是切实可行的，给出的例子只是简单的数字识别实验，要想在网络模式下识别复杂的目标图像则需要降低网络规模，增加识别能力，原理是一样的。