I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   15 ,   No .   2 A p r il   20 25 ,   p p .   2 0 4 2 ~ 2 0 5 4   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 15 i 2 . pp 2 0 4 2 - 2 0 5 4           2042       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Ta rg et  ima g e va lida tion mo deling   using  deep  n eura l  net wo rk   a lg o rithm       Na em a h M ub a ra k a h 1, 2 ,   P o lt a k   Sih o m bin g 3 ,   Sy a hril E f endi 3 F a hm i 2   1 D o c t o r a l   P r o g r a m i n   C o mp u t e r   S c i e n c e ,   F a c u l t y   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   I n f o r mat i o n   T e c h n o l o g y U n i v e r si t a s   S u ma t e r a   U t a r a ,   M e d a n ,   I n d o n e s i a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r si t a S u ma t e r a   U t a r a ,   M e d a n ,   I n d o n e si a   3 D e p a r t me n t   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e ,   F a c u l t y   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   I n f o r mat i o n   T e c h n o l o g y U n i v e r s i t a s S u m a t e r a   U t a r a ,   M e d a n ,   I n d o n e s i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 1 ,   2 0 2 4   R ev is ed   No v   2 4 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Dec   2 ,   2 0 2 4       Re se a rc h   o n   ima g e   v a li d a ti o n   m o d e ls  is  a n   in tere stin g   t o p ic.  Th e   a p p li c a ti o n   o d e e p   lea rn in g   (DL)  f o o b j e c d e tec ti o n   h a b e e n   d e m o n stra ted   to   e ffe c ti v e ly   a n d   e fficie n tl y   a d d re s th e   c h a ll e n g e in   t h is  field .   De e p   n e u ra l   n e two rk (DN N)  a re   d e e p   lea rn in g   a lg o rit h m c a p a b le  o h a n d l in g   larg e   d a tas e ts  a n d   e ffe c ti v e l y   so lv i n g   c o m p lex   p r o b lem d u e   t o   th e ir  ro b u st   lea rn in g   c a p a c it y .   De sp it e   th e ir  a b il it y   to   a d d re ss   c o m p lex   p ro b le m s,  DN N   e n c o u n ter  c h a ll e n g e re late d   to   t h e   n e c e ss it y   fo i n tri c a te  a rc h it e c tu re a n d   a   larg e   n u m b e o f   h i d d e n   lay e rs.  T h e   o b jec ti v e   o t h is  re se a rc h   is  t o   i d e n ti f y   th e   m o st  e ffe c ti v e   m o d e l   fo r   a c h iev in g   o p ti m a p e rfo rm a n c e   in   ima g e   v a li d a ti o n .   T h is  stu d y   i n v e stig a tes   targ e ima g e   v a li d a ti o n   u s in g   DN N   a lg o rit h m s,  e x a m in i n g   a rc h i tec tu re with   3 ,   4 ,   5 ,   a n d   6   h i d d e n   lay e rs.  Th is   stu d y   a lso   e v a lu a tes   th e   p e rfo r m a n c e   o ima g e   v a li d a ti o n   a c ro ss   v a rio u s   a c ti v a ti o n   f u n c ti o n s,  b a tc h   siz e s,  a n d   n u m b e rs  o n e u ro n s.  T h e   re su lt o th e   stu d y   s h o t h a th e   b e st  p e rfo rm a n c e   fo ima g e   v a li d a ti o n   is  a c h i e v e d   u sin g   th e   Lea k y - Re LU  a n d   S ig m o id   a c ti v a ti o n   f u n c ti o n s,   with   a   b a tch   s ize   o 6 4 ,   a n d   a n   a rc h i tec tu re   c o n sistin g   o f   3   h id d e n   lay e rs  wit h   n e u r o n   siz e o 2 5 6 ,   1 2 8 ,   a n d   6 4 .   T h is  m o d e is  c a p a b le  o p r o v i d in g   re a l - ti m e   targ e ima g e   v a li d a ti o n   wit h   a n   a c c u ra c y   o u p   to   9 4 . 3 1 % .   K ey w o r d s :   Activ atio n   f u n ctio n s     B atch   s izes   Dee p   n eu r al  n etwo r k   I m ag v alid atio n   Neu r o n s     T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Nae m ah   Mu b ar a k ah   Do cto r al  Pro g r a m   in   C o m p u te r   Scien ce ,   Facu lty   o f   C o m p u te r   Scien ce   an d   I n f o r m atio n   T ec h n o lo g y ,   Un iv er s itas   Su m ater Utar a   Me d an ,   Su m ater Utar a,   I n d o n esia    E m ail: n ae m ah @ u s u . ac . id       1.   I NT RO D UCT I O N   Valid atio n   is   s till   f ascin atin g   ar ea   o f   s tu d y .   R esear ch er s   ar ac tiv ely   l o o k in g   f o r   t h b est  way s   to   p r o v id e   r o b u s v alid atio n   in   o r d er   to   m in im ize  c o r r ec tiv e r r o r s ,   th an k s   to   d e v elo p m e n ts   in   m ac h in e   lear n in g   an d   in ter n et  o f   th in g s   ( I o T )   s e n s o r s .   No n - lin ea r   an d   n o n - s tat io n ar y   d ata  ar an aly ze d   u s in g   v ar iety   o f   d ata - d r iv en   tec h n iq u es,  i n clu d in g   m ac h in lear n i n g   a n d   s ig n al  p r o ce s s in g .   Ho wev e r ,   in ad eq u ate  in f o r m atio n   f o r   r ea l - tim ap p licatio n s   f r eq u en tly   r esu lts   in   a   r ed u ctio n   i n   p er f o r m a n ce .   Nu m er o u s   s tu d ie s   in   th v alid atio n   s ec to r   h av u s ed   a   v ar iety   o f   tech n iq u es,  s u ch   as  ar c h itectu r al  f r am ewo r k   alter atio n s   [ 1 ] ,   g en etic  alg o r ith m   ( GA)   [ 2 ] ,   s u p er   lear n er   alg o r i th m   [ 3 ] ,   an d   d if f er en tial  e v o l u tio n   ( DE )   [ 4 ] .   R ea l - tim m o d el  ap p licab ilit y   is   s till   q u ite  lim ited   d esp ite  lar g n u m b er   o f   s tu d ies.   Dee p   lear n in g   m eth o d s   f o r   o b ject  d etec tio n   a r ac k n o wle d g ed   f o r   th eir   ef f icien cy ,   o wi n g   to   th eir   ca p ac ity   to   u tili ze   d iv er s lear n in g   s tr ateg ies  an d   tr ain   o n   ex ten s iv d atasets   [ 5 ] ,   [ 6 ] .   T h is   ef f icien cy   is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Ta r g et  ima g va lid a tio n   mo d elin g   u s in g   d ee p   n e u r a l n etw o r a lg o r ith m   ( N a ema h   Mu b a r a ka h )   2043   ev id en ce d   b y   s ig n if ica n ad v a n ce m en ts   in   s eg m en tatio n   [ 7 ] ,   d etec tio n   [ 8 ] ,   an d   class if icatio n   [ 9 ] .   His to r ically ,   im ag o b ject  ex p lo r atio n   tech n iq u es  r elied   o n   co lo r   d escr ip to r s   [ 1 0 ]   an d   im a g d escr ip to r s   [ 1 1 ] ,   p r o ce s s ed   th r o u g h   u n s u p e r v is ed   alg o r ith m s   s u ch   as  K - m ea n s   clu s ter in g   [ 1 2 ] ,   s p ec tr al  clu s ter in g   [ 1 3 ] ,   p o o lin g   clu s ter s   [ 1 4 ] ,   a n d   s p an n in g   tr ee s   [ 1 5 ] ,   as  well  as  le s s   r o b u s s u p er v is ed   alg o r ith m s   lik d ee p   m etr i lear n in g   [ 1 6 ]   an d   s u b s p ac lear n in g   [ 1 7 ] .   Dee p   n eu r al  n etwo r k s   ( DNNs) ,   wh ich   f all  u n d er   th d ee p   lear n in g   ca teg o r y ,   ar e   ch ar ac ter ized   b y   th eir   m u lti - lay er ed   s tr u ctu r es - ty p ically   c o m p r is in g   th r ee   o r   m o r in t er co n n ec ted   lay er s .   DNNs  ex ce in   ad d r ess in g   co m p lex   p r o b le m s   an d   h av b ee n   in s tr u m e n tal  in   d r iv in g   s ig n if ican in n o v atio n s   ac r o s s   v ar io u s   s o cieta [ 1 8 ]   an d   in d u s tr ial  d o m ai n s   [ 1 9 ] [ 2 2 ] .   Ho wev er ,   d esp ite  th eir   ef f icac y   in   s o lv in g   co m p lex   ch allen g es,  DNNs  n ec ess itate  s o p h is ticated   ar c h itectu r es  with   n u m er o u s   h id d en   lay er s ,   wh ich   r esu lts   in   p r o lo n g ed   tr ain i n g   d u r atio n s   [ 2 3 ] .   T h p r i m ar y   ch allen g e   in   d ee p   n eu r al   n etwo r k s   ( DNN)   alg o r ith m s   is   d eter m in in g   th e   o p ti m al  m o d el   to   ac h iev th b est  p er f o r m a n ce   in   tar g et  im ag v alid atio n .   T h is   s tu d y   f o cu s es  o n   tar g et  im ag v alid atio n   u s in g   DNN  alg o r ith m s   in   r ea l - tim s en s o r s .   DNNs,  wh ich   f ea tu r n u m er o u s   h id d e n   lay er s ,   ar ev alu ated   b y   co m p ar in g   co n f ig u r atio n s   with   3   to   6   h i d d en   lay er s .   T h e   ch o ice  o f   ac tiv atio n   f u n ctio n   is   cr itical  to   DNN   p er f o r m an ce ,   m a k in g   t h s elec tio n   o f   th a p p r o p r iate  a ctiv atio n   f u n ctio n   ess en tial.   Ad d itio n ally ,   th is   r esear ch   ass ess e s   th im p ac o f   b atch   s ize  an d   th e   n u m b er   o f   n eu r o n s   o n   m o d el  p e r f o r m a n ce .   T h g o al  is   to   id en tify   th o p tim al  m o d el  ar ch itectu r f o r   tar g et  im a g v alid atio n .   T h e   m o d el  will  b e   test ed   in   r ea l - tim e   co n tex ts   to   e v alu ate  its   ef f ec t iv en ess .   T h f i n d in g s   o f   t h is   s tu d y   ca n   m ak e   s ig n if ican t   co n tr ib u tio n   to   th e   ad v an ce m e n t o f   d ata  m in in g   t ec h n iq u es.       2.   M AT E R I AL   A ND  M E T H O D   2 . 1 .       Dee p neura l net wo rk   n etwo r k   m ad e   u p   o f   lay er s   o f   n e u r o n s   is   ca lled   a   DNN,   a n d   ea ch   n e u r o n   is   co n n ec ted   to   th o th er s   b y   r an d o m   n u m b e r   b iases   [ 2 2 ] .   T h r o u g h   ch a n n els  with   v alu es  ca lled   weig h ts ,   n eu r o n s   in   o n la y er   co m m u n icate   with   n eu r o n s   in   th n ex t   lay er .   T h e   in f o r m ati o n   th at   is   s h ar e d   b etwe en   n e u r o n s   is   d eter m in ed   b y   th ese  weig h ts   an d   b iases .   T h n etwo r k   g en e r ates  an   o u tp u th at  r ef lects  th p r ed ictio n   o f   th p r o ce s s ed   in p u t in   th e   last   lay er ,   r ef e r r ed   to   as th o u tp u t la y er   [ 2 4 ] .   An   ar tific ial  n eu r o n   is   s ee n   in   Fig u r 1 .           Fig u r 1 .   An   ar tific ial  n eu r o n       T h in p u   is   co n n ec ted   t o   th n eu r o n   th r o u g h   weig h ted   c o n n ec tio n s ,   an d   th e   s u m   o f   al in p u ts ,   ea ch   m u ltip lied   b y   its   co r r esp o n d in g   weig h t Wi ,   is   co m p u te d .   T h is   s u m m atio n   is   th en   ad d ed   to   b ias ( b ) ,   an d   th r esu lt  is   s u b s eq u en tly   p r o ce s s ed   u s in g   an   ac tiv atio n   f u n ctio n   ( ) .   Ma th em atica lly ,   th o u tp u o f   p er ce p tr o n   u n it c an   b f o r m u l ated   as  ( 1 )   [ 2 3 ] .     = ( = + )     ( 1 )     T h f o llo win g   is   an o th er   way   to   m o d el  it with   m atr i x   n o tatio n :     = ( . + )   ( 2 )     W h er = [ 1   2     ]   d an   = [ 1 2 ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 Ap r il   20 25 :   2 0 4 2 - 2 0 5 4   2044   T o   p u t   it  s im p ly ,   n eu r al   n et wo r k   is   g r o u p   o f   lay er s   m a d u p   o f   m a n y   n eu r o n s .   E ac h   l ay er   h as  an   o u tp u t   v ec to r ,   a   b ias  v ec to r ,   a n d   a   weig h m atr ix ,   g en e r atin g   co lu m n s   o f   n e u r o n s   th at  wo r k   in   p ar allel.   W h en   p r o ce s s in g   an   i n p u v ec to r     in   lay er   o f   n eu r o n s   ,    is   th weig h o f   th e   co n n ec tio n   b et wee n   th - th   in p u an d   t h - th   n eu r o n   in   t h at  lay er ,   an d     an d     ar th - th   n eu r o n ' s   o u tp u an d   b ias,  r esp ec tiv ely   [ 2 5 ] .   As  r esu lt,  th f o llo win g   m atr ix   n o tatio n   ca n   b u s ed   t o   r ep r esen t a   n eu r o n   lay e r :     = [ 11 1 . . . . . .   ]   ( 3 )     I n   m atr ix   n o tatio n ,   th co l u m n   in d ex   in d icate s   th co n n ec ti o n ' s   in p u s o u r ce .   W h ile  th r o in d ex   in d icate s   th d esti n atio n   n eu r o n   f o r   th co r r esp o n d in g   co n n ec tio n .   As  r esu lt,  th lay e r ' s   o u tp u   ca n   b e   wr itten   lik th is :     [         ]         = [           ( 1 = + ) ( = + ) (  = + ) ]           = ( . + )                  ( 4 )     W h er b = [ ] .   I n   n eu r o n   la y er s ,   s u p e r s cr ip i n d ices  ar e   also   u s ed .   Fo r   ex a m p le,      in d icate s   th e   weig h t   b etwe en   th - th   n eu r o n   in   lay er     an d   th - th   n eu r o n   in   lay er   ( 1 ) ,   wh ile    in d icate s   th o u tp u t o f   th - th   n eu r o n   in   lay er   .   Fu r th er m o r e,     is   in ten d ed   to   s y m b o lize  th q u an tity   o f   b u r ied   n eu r o n s   in   lay er   k .   T h er ef o r e ,   th e   f u n ctio n   t h at  ca n   b e   d er iv e d   f r o m   th is   n etwo r k   is   as ( 5 ) :     3 = [         3 3 3 3 ]         = ( 3 2 + 3 ) = ( 3 ( 2 1 + 2 ) + 3 )   = ( 3 ( 2 ( ( 1 + ) ) + 2 ) 3 )   ( 5 )     On k in d   o f   ar tific ial  n eu r al  n etwo r k   with   s ev er al  la y er s   i s   ca lled   DNN.   An   in p u la y er ,   N> 2   h id d en   lay er s ,   an d   an   o u tp u lay er   ar th th r ee   lay er s   th at  ar ty p ically   p r esen in   DNN.   ' Dee p '   d escr ib es   th co m p ar ativ ely   h ig h   n u m b er   o f   lay e r s .   Dee p   lear n i n g   is   th ter m   f o r   th lear n in g   p r o c ess   th at  tak es  p lace   in s id DNN.   d ee p   n eu r al  n etwo r k   is   th n am g i v en   to   th n eu r al  n etwo r k   in   a   DNN   [ 2 4 ] .   Fo r m u la  ( 6 )   i s   u s ed   to   ca lc u late  th e   f in al  o u t p u o f   a   DNN  with   f o u r   lay er s ,   wh er e   σ   is   th e   ac tiv atio n   f u n ctio n   an d   β,  γ ,   a n d   λ   s tan d   f o r   n o is o r   b ias.     = ( , ( . ( , + = 1 ) + 1 = 1 + ) 2 = 1 )   ( 6 )     Dee p   n eu r al  n etwo r k s   ca n   b tr ain ed   u s in g   th b ac k - p r o p ag atio n   p r o ce s s .   I ca n   b d if f icu lt  to   esti m ate  p ar am eter s   in   d ee p   n eu r al  n etwo r k s   b ec au s o f   t h eir   co m p lex ity ,   wh ich   in cl u d es sev er al  lay er s   an d   a   lar g n u m b er   o f   s y n ap tic  we ig h ts .   Neu r al  n etwo r k   s ca lab ilit y   is   s tr o n g ly   r elate d   to   t h e   b ac k - p r o p a g atio n   tech n iq u e,   w h ich   is   f r eq u en tl y   u s ed   f o r   tr ain i n g   n e u r al  n et wo r k s .   T h m eth o d   m ak es  ite r ativ m o d if icatio n s   to   g et  o p tim al  weig h t c o n f i g u r atio n s .   T h r ee - lay e r   DNN  is   s ee n   in   Fig u r 2 .     2 . 2 .     DNN  a lg o rit hm   perf o r m a nce  m e a s urem ent   Per f o r m an ce   m ea s u r em e n is   cr itical  in   th e   f ield   o f   m ac h in lear n in g .   T h e   ar ea   u n d er   th c u r v e   ( AUC)  o f   th r ec eiv er   o p er ati n g   ch ar ac ter is tic  ( R OC )   cu r v is   co m m o n ly   u s ed   p er f o r m an ce   s tatis tic.   A n   im p o r tan m etr ic  f o r   ev alu atin g   th ef f ec tiv en ess   o f   class if icatio n   m o d els  is   th AUC   [ 2 6 ] .   I n   p a r ticu lar ,   th e   ar ea   u n d er   th R OC   cu r v e   is   q u an tifie d   b y   th e   AUC.  Plo ttin g   th tr u p o s itiv r ate  ( T P R )   v er s u s   th f alse  p o s itiv r ate  ( FP R )   ac r o s s   v ar io u s   class if icatio n   th r esh o ld s   allo ws th R OC   cu r v e,   g r ap h i ca l to o l,  to   ass ess   class if icatio n   m o d el' s   p er f o r m an ce .   T h f o llo win g   a r th m ain   elem en ts   o f   th R OC   cu r v e:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Ta r g et  ima g va lid a tio n   mo d elin g   u s in g   d ee p   n e u r a l n etw o r a lg o r ith m   ( N a ema h   Mu b a r a ka h )   2045   a.   T h r atio   o f   ac c u r ately   a n ticip ated   p o s itiv ca s es  to   all  ac tu al  p o s itiv es  is   k n o w n   as  th e   T PR ,   an d   it  is   d ef in ed   as ( 7 ) :     =     +             ( 7 )     b.   T h r atio   o f   f alsely   p r o jecte d   p o s itiv ca s es  to   all   ac tu al  n e g ativ es  is   k n o wn   as   th FP R ,   an d   it   is   d ef in e d   as ( 8 ) :     =     +         ( 8 )     wh er    is   tr u p o s itiv e,      is   tr u n eg ativ es,     is   f al s p o s itiv an d      is   f alse  n eg ativ es.  T h    is   r ep r esen ted   b y   t h Y - ax is   in   th R OC   cu r v e,   wh e r ea s   th   is   r ep r esen ted   b y   th X - a x is .   T h AUC  v alu es  ca n   b in ter p r eted   as f o llo ws:   a.   AUC =  1 : T h m o d el  e x h ib its   f lawless   ca teg o r izatio n   ca p ab i liti es.   b.   0 . 5   <   AUC   <   1 T h m o d el  o u tp e r f o r m s   r an d o m   g u ess in g th clo s er   th AUC  v alu is   to   1 ,   th b etter   th m o d el  p er f o r m s .   c.   AUC =  0 . 5 : T h m o d el' s   p er f o r m an ce   is   o n   p ar   with   g u ess wo r k .   d.   AUC   <   0 . 5 :   T h e   m o d el  p e r f o r m s   wo r s th an   r an d o m   g u ess in g ,   wh ic h   m a y   im p l y   th at   th m o d el  is   in v er ted           Fig u r 2 .   T h r ee - lay e r   DNN       2 . 3 .     Arc hite ct ure  re s ea rc h   Var io u s   s ch em es  wer ap p lie d   with   d if f e r en co n f ig u r atio n s   o f   h id d e n   lay er s ,   ac tiv ati o n   f u n ctio n s ,   b atch   s izes,  an d   n u m b er s   o f   n eu r o n s .   Af ter   d eter m i n in g   t h o p tim al  m o d el  f o r   o b ject  v alid atio n   u s in g   t h e   DNN  alg o r ith m ,   th is   m o d el  was  d ir ec tly   ap p lied   to   o b jec ts   ca p tu r ed   b y   ca m er f o r   r ea l - tim an aly s is .   Fig u r 3   s h o ws  th DNN - b as ed   m ac h in e   lear n in g   m o d elin g   p r o ce d u r e.   T h e   s tu d y   f lo wc h ar is   d is p lay ed   in   Fig u r 3 ( a) .   Sev e r al  m ac h in l ea r n in g   m o d els  ar v iewe d   in   th cr ate,   tr ain ,   an d   ass ess m en p h ase  in   o r d er   to   s elec th b est  m o d el,   as  illu s tr ated   in   Fig u r 3 ( b ) .   T ab le  1   lis ts   th m an y   p ar am eter s   u s ed   in   th s ea r ch   f o r   th o p tim al  m o d el.   T o   id en tify   th b est  m o d el,   r e f er en ce   p ar am eter s   will  b ch o s en   b ased   o n   th o u tco m es  o f   p ar am eter   m o d if icatio n s .   T h R OC   cu r v e' s   AU C   s er v es  a s   th f o u n d a tio n   f o r   th is   ev alu atio n .   T h b est  m o d el  will  b ch o s en   f o r   tar g et  p ictu r v alid atio n   af te r   it  h as  b ee n   d ete r m in ed   a n d   ev alu ated   in   r ea l - tim to   ass ess   its   v alid atio n   p er f o r m a n ce .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 Ap r il   20 25 :   2 0 4 2 - 2 0 5 4   2046       ( a )   ( b )     Fig u r 3 .   R esear ch   f lo wc h ar t :   ( a)   m ain   p r o ce s s   an d   ( b )   m o d e d ev elo p m e n t p r o ce s s   in     m ac h in e   lear n in g   with   DNN       T ab le  1 .   T h r esear ch ' s   p ar am eter s   N o .   P a r a me t e r u se d   i n   t h e   r e se a r c h     1.   N u mb e r   o f   h i d d e n   l a y e r s :   3 ,   4 ,   5 ,   6   2.   A c t i v a t i o n   f u n c t i o n :   R e c t i f i e d   l i n e a r   u n i t   ( R e LU ) ,   S i g m o i d ,   L e a k y   R e LU ,   T a n h ,   Li n i e r ,   S c a l e d   e x p o n e n t i a l   l i n e a r   u n i t   ( S ELU )     a n d   S o f t M a x .   3.   N u mb e r   o f   b a t c h   si z e s:   1 6 ,   3 2 ,   6 4 ,   1 2 8 ,   2 5 6   4.   N u mb e r   o f   n e u r o n s:   6 4 ,   1 2 8 ,   2 5 6 ,   5 1 2       3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   3 . 1 .     Act iv a t io f un ct io ns   v a ria t io n   Dee p   lear n in g   m eth o d s   r ely   o n   ac tiv atio n   f u n ctio n s   to   g en er ate  ef f icien s y s tem   p e r f o r m a n ce .   Kn o win g   w h ich   ac tiv atio n   f u n ctio n   is   ap p r o p r iate  to   u s wit h   th e   DNN  m eth o d   is   th e r ef o r ess en tial.  Sev er al  ac tiv atio n   f u n ctio n   m o d if icati o n s ,   s u ch   as  r ec tifie d   lin ea r   u n it  ( R eL U) ,   L u ck y   R eL U,   SE L U,   Sig m o id ,   T an h ,   L in ea r ,   an d   So f t m ax ,   ar u s ed   in   th is   wo r k .   C h an g es  in   t h n u m b e r   o f   h id d en   la y er s   ar u s ed   to   test   th R eL U,   Sig m o id   ac tiv atio n   f u n ctio n .   I n   t h is   in s tan ce ,   t h r ee ,   f o u r ,   f iv e,   an d   s ix   h id d en   lev el s   ar im p lem en ted .   Fig u r 4   d is p lay s   th e   co n f u s io n   m atr ix   r esu lts   o f   th R eL an d   Sig m o i d   ac tiv atio n   f u n cti o n   o n   3 ,   4 ,   5 ,   a n d   6   h id d en   lay e r s ,   wh ile  Fig u r 5   d is p lay s   th tr ain in g   an d   v ali d atio n   lo s s   g r ap h s .   Fig u r es  4   an d   5   d em o n s tr ate  h o th e   DNN  m eth o d   p er f o r m s   p o o r ly   wh e n   R eL an d   Si g m o id   ar u s ed   as  ac tiv atio n   f u n ctio n s .   T h AUC  f in d in g s   f r o m   th R OC   f o r   th ap p licatio n   o f   th R eL ar d er iv ed   f r o m   th r esu lts   o f   Fig u r es  4   an d   5 ,   as   s h o wn   in   Fig u r 6 .   T h R OC   o f   th o t h er   ac tiv atio n   f u n ctio n ' s   AU C   is   d is p lay ed   in   Fig u r 7 .   T h p er f o r m a n ce   o f   th e   s u g g ested   DNN  m o d el  with   v a r io u s   ac tiv atio n   f u n ctio n s   is   d is p lay ed   in   Fig u r 7 .   T h R OC   o f   th DNN  m o d el  with   th r ee   to   s ix   h id d en   lay er s   th at  u s es  Sig m o id   in   th o u tp u lay er   an d   L ea k y - R eL ac tiv atio n   lay er s   in   th h id d en   lay er s   is   d is p lay ed   in   Fig u r 7 ( a) .   T h DNN  m o d el's   p er f o r m an ce   with   T a n h   a n d   Sig m o id   ac tiv atio n   lay er s   is   s h o wn   in   Fig u r e   7 ( b ) .   T h DNN  m o d el' s   p er f o r m an ce   u tili zin g   th e   lin e ar   an d   s ig m o id   ac tiv atio n   f u n ctio n s   is   d is p lay ed   in   Fig u r e   7 ( c) .   T h AUC  f o r   th DNN  m o d el  with   s ig m o id   in   th o u tp u lay e r   an d   SEL in   th h id d en   la y er   is   th en   s h o wn   in   Fig u r 7 ( d ) .   Ad d itio n ally ,   Fig u r 7 ( e)   illu s tr ates  h o Sig m o id   is   u s ed   in   all  lay er s ,   in clu d i n g   t h o u tp u t   an d   h id d e n   lay e r s .   L astl y ,   th m o d el' s   p er f o r m a n ce   em p lo y in g   th SEL an d   So f tMa x   as  th ac tiv atio n   f u n ctio n   is   d is p lay ed   in   Fig u r 7 ( f ) .   Acc o r d in g   t o   th o u tco m e,   t h m o d el' s   AU C   r is es  f r o m   0 . 5   to   0 . 8 2   wh e n   Sig m o id   is   u s ed   in   th e   o u tp u lay er .   T h is   is   b ec au s th Sig m o id   ac tiv atio n   f u n ctio n   is   ap p r o p r iate  f o r   b in a r y   cla s s if icatio n   p r o b lem s   b ec au s it  p r o d u ce s   v al u es  b etwe en   0   an d   1 .   Fu r th er m o r e,   th SEL U,   Sig m o id   with   f o u r   h id d en   lay er s ,   y ield s   th b est  AUC  o f   an y   s tu d ied   a ctiv atio n   f u n ctio n ,   at  0 . 8 2 .   H o wev er ,   T ab le  2   an d   Fig u r 8   d em o n s tr ate  th at  th Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Ta r g et  ima g va lid a tio n   mo d elin g   u s in g   d ee p   n e u r a l n etw o r a lg o r ith m   ( N a ema h   Mu b a r a ka h )   2047   Sig m o id   m o d el  p e r f o r m s   b e s wh en   ev alu atin g   th e   s tab ilit y   o f   t h m o d el' s   p er f o r m a n ce   ac r o s s   v a r y in g   n u m b er s   o f   h id d en   lay e r s ,   with   an   av e r ag AUC o f   0 . 8 0 5   f o r   th L ea k y - R eL U.   Fig u r 8   s h o ws  th av er a g AUC  s co r es  f o r   v ar io u s   ac tiv atio n   f u n ctio n s .   B ased   o n   t h e   g r ap h ,   th e   av er ag AUC  v ar ies  d ep en d in g   o n   t h ac tiv atio n   f u n ctio n   co m b in atio n s   u s ed .   T h co m b in atio n   o f   L ea k y - R eL with   Sig m o id   an d   L in ier   with   Sig m o id   d em o n s tr ates  th b est  p er f o r m an ce ,   with   an   av er ag AUC  0 . 8 0 5   an d   0 . 7 9 ,   i n d icatin g   b etter   m o d el   class if icatio n   ca p ab ilit ies.  Ov er all,   ac tiv atio n   f u n ctio n s   s u ch   as  L ea k y - R eL U,   L in ier   an d   Sig m o id   ten d   t o   p r o d u ce   g o o d   p er f o r m an ce   wh en   p air ed   wi th   th e   ap p r o p r iate   ac tiv atio n   f u n ctio n .   T h e r ef o r e ,   th c o m b in atio n   o f   L ea k y - R e L with   Sig m o id   is   r ec o m m e n d ed   to   ac h iev t h b est p er f o r m an ce .           Fig u r 4 C o n f u s io n   m atr i x   o f   R eL U,   Sig m o id   ac tiv atio n   f u n ctio n s   at  3 ,   4 ,   5 ,   an d   6   h id d e n   lay er s           Fig u r 5 .   T r ain in g   a n d   v alid atio n   lo s s   g r ap h   with   R eL an d   Sig m o id   ac tiv atio n   f u n ctio n s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 Ap r il   20 25 :   2 0 4 2 - 2 0 5 4   2048       Fig u r 6 .   R OC   g r ap h   o f   th e   R eL U - Sig m o id   ac tiv atio n   f u n cti o n           ( a)   ( b )         ( c)   ( d )         ( e)   (f)     Fig u r 7 .   R OC   g r ap h   o f : ( a )   L ea k y   R eL U,   Sig m o id ,   ( b )   T a n h ,   Sig m o id ,   ( c)   L in ie r ,   Sig m o i d ,   ( d )   SEL U,   Sig m o id ,   ( e)   Sig m o id ,   Sig m o i d ,   an d   ( f )   SEL U,   So f tMa x   ac ti v atio n   f u n ctio n s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Ta r g et  ima g va lid a tio n   mo d elin g   u s in g   d ee p   n e u r a l n etw o r a lg o r ith m   ( N a ema h   Mu b a r a ka h )   2049   T ab le  2 .   Ar ea   u n d e r   th cu r v f r o m   v ar io u s   ac tiv atio n   f u n cti o n s   N o .   A c t i v a t i o n   f u n c t i o n s   A U C   f r o d i f f e r e n t   n u mb e r   o f   h i d d e n   l a y e r s   A v e r a g e   A U C   s c o r e   3   4   5   6   1   R e LU ,   S i g m o i d   0 . 6 1   0 . 5 9   0 . 5 6   0 . 7 1   0 . 6 1 7 5   2   Le a k y   R e LU ,   S i g mo i d   0 . 8 0   0 . 8 1   0 . 8 1   0 . 8 0   0 . 8 0 5   3   Ta n h ,   S i g m o i d   0 . 6 2   0 . 4 7   0 . 5 2   0 . 5 1   0 . 5 3   4   Li n i e r ,   S i g m o i d   0 . 7 9   0 . 7 9   0 . 7 9   0 . 7 9   0 . 7 9   5   S ELU ,   S i g m o i d   0 , 7 7   0 . 8 2   0 . 4 8   0 . 5 4   0 . 6 5 2 5   6   S i g m o i d ,   S i g m o i d   0 . 7 9   0 . 6 6   0 . 7 2   0 . 5 5   0 . 6 8   7   S ELU S o f t M a x   0 . 5   0 . 5   0 . 5   0 . 5   0 . 5           Fig u r 8 .   Gr a p h   o f   th a v er ag e   AUC v alu f r o m   v ar io u s   ac ti v atio n   f u n ctio n s       3 . 2 .    B a t ch  s izes v a ria t i o n   Fro m   s ec tio n   3 . 1   it  is   o b tain e d   th at  th e   u s ag e   o f   L ea k y - R eL U,   s ig m o id   ac tiv ati o n   f u n cti o n   r et u r n s   th b est  p er f o r m a n ce .   T h e r ef o r e,   in   th b atc h   s ize  v ar iatio n   test s ,   th L ea k y - R eL U,   s ig m o id   ac tiv atio n   f u n ctio n   is   ch o s en .   I n   t h is   test ,   v ar y in g   b atch   s ize  1 6 ,   3 2 ,   6 4 ,   1 2 8 ,   an d   2 5 6   a r u s ed   f o r   th DNN  m o d el  with   v ar io u s   n u m b er   o f   h id d en   lay er s .   Fig u r 9   d is p lay s   th m o d el' s   tr ain in g   an d   v alid atio n   l o s s es  f o r   b atch   s ize s   o f   1 6 .   Ad d itio n ally ,   Fig u r e   1 0   d is p lay s   th m o d el' s   AU C   s c o r with   b atch   s ize  o f   1 6 ,   with   an   av e r ag AUC   s co r o f   0 . 8 2 .   Usi n g   f iv h id d en   lay er s   y ield s   th g r ea test   r esu lts ,   with   an   AUC  s co r o f   0 . 8 2 .   T h m o d el' s   AUC  s co r is   al s o   d is p lay ed   in   Fig u r 1 1   f o r   b atch   s izes  o f   3 2 ,   6 4 ,   1 2 8   a n d   2 5 6 .   Fig u r e   1 1 ( a)   d is p lay s   th e   AUC  o f   th R OC   wh en   u s in g   b atc h   s ize  o f   3 2 ,   Fig u r 1 1 ( b )   d is p lay s   th AUC  wh en   u s in g   b atc h   s ize  o f   6 4 ,   Fig u r 1 1 ( c)   d is p lay s   th AUC  o f   th m o d el  u s in g   b atch   s ize  o f   1 2 8   an d   Fig u r 1 1 ( d )   d is p lay s   th AUC   wh en   u s in g   b atch   s ize  o f   2 5 6 .           Fig u r 9 .   T r ain in g   a n d   v alid atio n   lo s s   u s in g   L ea k y - R eL an d   Sig m o id   ac tiv atio n   f u n ctio n   f o r     b atch   s izes o f   1 6   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 Ap r il   20 25 :   2 0 4 2 - 2 0 5 4   2050       Fig u r 1 0 .   R OC   g r ap h   with   L e ak y - R eL U,   Sig m o id   ac tiv atio n   f u n ctio n   f o r   b atch   s izes o f   1 6           ( a)   ( b )         ( c)   ( d )     Fig u r 1 1 .   Gr ap h   o f   R OC   c u r v with   b atch   s izes o f : ( a)   3 2 ,   ( b )   6 4 ,   ( c)   1 2 8 ,   an d   ( d )   2 5 6       B ased   o n   th b atch   s ize  v a r iatio n   test ,   all  th b atch   s izes  p r o d u ce   th e   AUC  s co r n o   lo w er   th an   0 . 8   with   th h i g h est  AUC  s co r o f   0 . 8 2 .   Ho wev e r ,   u s in g   d if f er en b atc h   s izes  f o r   tr ain i n g   th p r o p o s ed   DNN   m o d el  d o es  n o s ig n if ican tly   im p r o v th m o d el’ s   p er f o r m an ce .   T h o v er all  p er f o r m a n c o f   th b atch   s iz e   v ar iatio n   test   is   s h o wn   in   T ab l 3 .   Fro m   T ab le  3 ,   it  ca n   b s ee n   th at  th h ig h est  av er ag A UC   s co r o f   0 . 8 1 5   is   ac h iev ed   wh en   u s in g   b atch   s ize  is   6 4 .   T h er ef o r e,   it  is   r ec o m m en d e d   to   u s b atch   s ize  o f   6 4   wh en   tr ai n in g   th DNN  m o d el.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Ta r g et  ima g va lid a tio n   mo d elin g   u s in g   d ee p   n e u r a l n etw o r a lg o r ith m   ( N a ema h   Mu b a r a ka h )   2051   T ab le  3 .   AUC s co r f r o m   R OC   with   v ar io u s   b atch   s ize   N o .   B a t c h   si z e   A U C   f r o d i f f e r e n t   n u mb e r   o f   h i d d e n   l a y e r s   A v e r a g e   A U C   s c o r e   3   4   5   6   1   16   0 . 8 0   0 . 8 1   0 . 8 2   0 . 8 0   0 . 8 0 7 5   2   32   0 . 8 0   0 . 8 1   0 . 8 1   0 . 8 0   0 . 8 0 5   3   64   0 . 8 1   0 . 8 2   0 . 8 0   0 . 8 3   0 . 8 1 5   4   1 2 8   0 . 8 2   0 . 8 0   0 . 8 2   0 . 8 0   0 . 8 1   5   2 5 6   0 . 8 1   0 . 8 0   0 . 8 0   0 . 8 2   0 . 8 0 7 5       3 . 3 .     Num ber  o f   neuro ns   v a r ia t io n   Af ter   o b tain in g   th e   b est  ac tiv atio n   f u n ctio n   an d   b atch   s ize,   f u r th er   in v esti g atio n   is   m ad t o   f in d   th e   b est  n u m b er   o f   n eu r o n s   f o r   th DNN  m o d el.   T h n u m b e r   o f   n eu r o n s   in   th DNN  lay er s   h as  b ig   im p ac o n   h o well  th DNN   m o d el  p er f o r m s .   T h m o d el' s   ac cu r ac y   an d   lik elih o o d   o f   g en er alizin g   s u cc ess f u lly   wo u ld   b o th   b en h an ce d   b y   a d d in g   ad d itio n al  n e u r o n s ,   wh ich   wo u ld   let  it  to   lear n   m o r e   ab o u th in tr icate   u n d er ly i n g   p atter n s   in   th e   d at a.   Un d er f itti n g ,   in   w h ich   th m o d el  is   to o   b asic  to   ca p tu r t h lin k   b etwe en   th e   in p u a n d   o u tp u d ata,   r esu lts   f r o m   u s in g   to o   f ew  n e u r o n s ,   w h ich   p r ev en ts   th e   m o d el  f r o m   co m p r eh e n d in g   th e   p atter n s   in   th e   d ata.   T h er e f o r e,   d eter m in i n g   t h b est  n u m b er   o f   n eu r o n s   in   ea ch   lay er   o f   th DNN  m o d el  is   ess en tial f o r   im p r o v i n g   th m o d el’ s   ac cu r ac y   in   d ata  v alid ati o n .   Fig u r 1 2   s h o ws  th g r ap h   f o r   th tr ain in g   an d   v alid atio n   l o s s   wh en   ap p ly in g   6 4   n eu r o n s   f o r   ea ch   lay er   o f   th DNN  m o d el.   I is   o b s er v ed   th at  th v alid atio n   lo s s   f o r   ea ch   la y er   is   b elo w   0 . 6   wh er th tr ai n in g   lo s s   is   ar o u n d   0 . 5 .   B ased   o n   t h g r a p h ,   h id d e n   lay er   4   d em o n s tr ates  b etter   p er f o r m an ce   co m p ar ed   t o   th o th er   lay er s .   T h is   is   ev id en t f r o m   tr a in in g   lo s s   an d   v alid atio n   lo s s ,   wh ich   co n s is ten tly   d ec r ea s at   th b eg in n in g   a n d   s tab ilized   with o u t sig n if ican t f lu ctu atio n s ,   in d icatin g   th at  th e   m o d el  n eith e r   o v e r f its   n o r   u n d er f its .           F i g u r 1 2 .   T r a in i n g   an d   v a l id a t i o n   l o s s   f o r   L e ak y - R eL U ,   Si g m o id   ac t i v a t io n   l a y er   w i th     6 4   n e u r o n s   p e r   la y er       T h m o d el' s   AU C   s co r i s   d i s p lay ed   in   Fig u r 1 3   f o r   d if f e r en n u m b e r s   o f   n eu r o n s   in   ea ch   h id d e n   lay er .   Fig u r 1 3 ( a )   d ep icts   th e   AUC  s co r wh en   th m o d el  e m p lo y ed   6 4   n eu r o n s   in   ea c h   l ay er   f o r   3 ,   4 ,   5 ,   an d   6   h id d e n   lay er   a r ch itectu r e.   Nex t,  Fig u r 1 3 ( b )   s h o ws  th m o d el  p e r f o r m an ce   wh e n   1 2 8   n eu r o n s   ar u s ed ,   Fig u r 1 3 ( c)   s h o ws  th p er f o r m an ce   wh en   2 5 6   n e u r o n s   ar u s ed   an d   f in ally   Fig u r 1 3 ( d )   s h o ws  th e   p er f o r m an ce   o f   th m o d el  wh en   5 1 2   n eu r o n s   ar u s ed   in   ea ch   h id d e n   lay er .   T h h ig h est  av er ag AUC  s co r is   o b tain ed   wh en   5 1 2   n eu r o n s   ar em p lo y e d   in   ea c h   lay er   as  s h o wn   in   Fig u r 1 3 ( d )   an d   T a b le  4   T ab le  4   d ep icts   th e   av e r ag e   AUC  s co r f o r   v a r io u s   n u m b e r   o f   n eu r o n s   wh er e   th e   h ig h est  av er ag e   is   ac h iev ed   wh en   u s in g   5 1 2   n e u r o n s   in   ea ch   h i d d en   lay e r .   Ho wev er ,   th AUC  s co r o b tain ed   wh en   u s in g   3 - h id d e n   lay er   ar ch itectu r with   2 5 6   n e u r o n s   in   ea ch   lay e r   was  also   n o tab ly   h ig h ,   r ea ch i n g   v alu o f   0 . 8 2 .   T h is   m ak es  it  g o o d   co n te n d er   to   b em p lo y ed   in   t h DNN  m o d el  as  lo wer   n u m b er   o f   n eu r o n s   m ay   p o ten tially   r ed u ce   th c o m p u t atio n al  co s t a n d   th t r ain in g   ti m o f   th m o d el.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.