1.概述

        卷积神经网络（CNN）是深度学习在计算机视觉领域的重要突破，专为处理网格状数据（如图像）设计，后也扩展到自然语言处理等领域。

        它解决了全连接网络处理大图像时计算代价高、特征保留差的问题，核心是通过卷积层自动学习和提取图像局部特征。

        CNN 主要由三部分构成：卷积层负责提取局部特征；池化层降低运算量并增强特征；全连接层输出最终结果。

1.1.使用场景

        卷积神经网络（CNN）的核心使用场景集中在处理网格状数据（如图像、视频帧等）的任务中，主要包括：

• 图像分类（如识别物体类别：猫 / 狗、交通标志等）；
• 目标检测（如定位图像中物体位置：自动驾驶识别行人、车辆）；
• 图像分割（如像素级分类：医学影像分割肿瘤、卫星图像划分区域）；
• 人脸识别（如身份验证、人脸解锁）；
• 医学影像分析（如 X 光 / CT 病变检测）；
• 视频分析（如动作识别、视频内容分类）等。
• 也扩展到文本、音频等领域（将其转化为网格状数据处理）。

1.2与传统网络的区别

        左侧是普通全连接神经网络的结构（包含输入层、隐藏层、输出层，层间为全连接）；

        右侧展示卷积神经网络对带有深度（depth）、高度（height）、宽度（width）维度的数据的处理流程，体现了卷积神经网络与普通全连接网络在结构和数据处理方式上的差异。

1.3全连接的局限性

        全连接神经网络不太适合处理图像数据，特别是彩色图..

1.3.1 参数量巨大

        全连接结构计算量非常大，假设我们有1000×1000的输入，如果隐藏层也是1000×1000大小的神经元，由于神经元和图像每一个像素连接，则参数量会达到惊人的1000×1000×1000×1000，仅仅一层网络就已经有10^12个参数。

1.3.2 表达能力太有限

        全连接神经网络的角色只是一个分类器，如果将整个图片直接输入网络，不仅参数量大，也没有利用好图片中像素的空间特性，增加了学习难度，降低了学习效果。

1.4卷积思想

        卷：从左往右，从上往下

        积：乘积（对应位置相乘），求和

1.4.1 概念

        Convolution，输入信息与卷积核(滤波器,Filter)的乘积。核心是用小尺寸的卷积核提取输入的局部特征。

1.4.2 局部连接

        卷积核仅与输入的局部区域连接，而非全连接。这一设计契合图像的 “局部相关性”—— 空间距离距离越近的像素，相互影响越强；同时，局部连接也让网络能基于 “局部特征（如边缘、角点）” 逐步构建更复杂的全局特征（如物体轮廓）。

• 局部连接可以更好地利用图像中的结构信息，空间距离越相近的像素其相互影响越大。

• 根据局部特征完成目标的可辨识性。

1.4.3 权重共享

        同一卷积核在整个输入数据的不同位置上共享权重。例如，用一个卷积核提取 “竖直边缘” 特征时，无论图像的左上角还是右下角，只要存在竖直边缘，都用这组相同的权重去检测。这一机制大幅减少了参数量，同时让网络能将 “从局部区域学到的特征” 推广到整个输入，降低了学习难度。

• 图像从一个局部区域学习到的信息应用到其他区域。

• 减少参数，降低学习难度。

总结

        卷积神经网络（CNN）是为突破全连接网络处理图像时 “参数量爆炸、空间特征丢失” 的局限而生的深度学习模型，凭借卷积层（局部连接 + 权重共享）、池化层、全连接层的核心结构，实现了 “参数高效性” 与 “空间特征表达能力” 的平衡。它不仅在图像分类、目标检测、医学影像分析等计算机视觉任务中成为核心工具，还拓展到文本、音频等多模态领域，成为处理网格状及衍生结构数据的关键深度学习范式。