Exploring potential of Turing pattern classification through convolution maps

卷积神经网络 计算机科学 联营 人工智能 模式识别(心理学) 卷积(计算机科学) 领域(数学分析) 非线性系统 图灵 算法 机器学习 边界(拓扑) 图案形成 合成数据 人工神经网络 深度学习 数据结构 空间分析
作者
Jaemin Shin,Junyoung Park,Mengda Ji,Seunggyu Lee
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 3008-3008
标识
DOI:10.1038/s41598-025-32911-0
摘要

We investigate the classification potential of nonlinear Turing patterns by employing convolutional features. Classifying spatial heterogeneity caused by Turing instability, observed in natural phenomena such as animal coat patterns and neural models, remains a challenging problem due to the difficulty in learning the parameters governing such pattern formation. We consider a minimal structure of a convolutional neural network including convolutional layers, activation functions, and pooling layers to classify patterns based on the reaction-diffusion model. To better capture nonlinear variations while alleviating overfitting, we additionally examine deeper convolutional structures and employ data augmentation methods. By extracting crucial features, pattern diagrams are comprehensively generated to illustrate spatial and structural variations. This approach aims to uncover potential applications of machine learning in understanding pattern formation mechanisms. The training data is generated by performing numerical simulations over a relatively large domain to minimize the influence of boundary conditions, followed by partitioning the computed results into smaller regions. The results and performances demonstrate the effectiveness of this approach.
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