[人工智能-深度学习-32]：卷积神经网络cnn-常见分类网络-alexnet

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目录

第1章 卷积神经网络基础

1.1 卷积神经发展与进化史

1.2 卷积神经网络的核心要素

1.3 卷积神经网络的描述方法

1.4 人工智能三巨头  + 华人圈名人

第2章 AlexNet概述

2.1 AlexNet的作者其人

2.2 AlexNet概述

2.3 AlexNet的特点

第3章 AlexNet网络结构阐述

3.1 网络架构描述：厚度法

3.2 网络架构描述：垂直法

3.3 分层解读

第1章 卷积神经网络基础

1.1 卷积神经发展与进化史

 AlexNet是深度学习的起点，后续各种深度学习的网络或算法，都是源于AlexNet网络。

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1.2 卷积神经网络的核心要素

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1.3 卷积神经网络的描述方法

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1.4 人工智能三巨头  + 华人圈名人

Yoshua Bengio、Yann LeCun、Geoffrey Hinton共同获得了2018年的图灵奖。

杰弗里·埃弗里斯特·辛顿（Geoffrey Everest Hinton），计算机学家、心理学家，被称为“神经网络之父”、“深度学习鼻祖”。Hinton是机器学习领域的加拿大首席学者，是加拿大高等研究院赞助的“神经计算和自适应感知”项目的领导者，是盖茨比计算神经科学中心的创始人，目前担任多伦多大学计算机科学系教授。2013年3月，谷歌收购 Hinton 的公司 DNNResearch 后，他便随即加入谷歌，直至目前一直在 Google Brain 中担任要职。

Yoshua Bengio是蒙特利尔大学（Université de Montréal）的终身教授，任教超过22年，是蒙特利尔大学机器学习研究所（MILA）的负责人，是CIFAR项目的负责人之一，负责神经计算和自适应感知器等方面，又是加拿大统计学习算法学会的主席，是ApSTAT技术的发起人与研发大牛。Bengio在蒙特利尔大学任教之前，是AT&T贝尔实验室 & MIT的机器学习博士后。

Yann LeCun，担任Facebook首席人工智能科学家和纽约大学教授，1987年至1988年，Yann LeCun是多伦多大学Geoffrey Hinton实验室的博士后研究员。

第2章 AlexNet概述

2.1 AlexNet的作者其人

乌克兰出生、加拿大长大的Alex Krizhevsky，是Hinton在多伦多大学计算机科学博士生，2012 年，在 Hinton 的指导下， Alex Krizhevsky 和 Hinton 的另一个学生 IIya Sutskever 参加了当年的 ImageNet 挑战赛。ImageNet 是一个大型视觉数据集，由李飞飞所主导创造，拥有 1400 多万张标注过的图像。2010 年起，基于 ImageNet 数据集的视觉识别挑战赛每年举办一次。

Alex Krizhevsky和 Sutskever用Alex Krizhevsky设计的卷积神经网络（CNN）参加比赛。两个研究深度学习没几年的学生，却以 10.8% 的巨大优势击败了其他对手，包括一些学术界的顶级团队。而Alex Krizhevsky 设计的那个神经网络，后来被命名为 AlexNet。

2.2 AlexNet概述

AlexNet网络是Hinton率领的谷歌团队（Alex Krizhevsky，Ilya Sutskever，Geoffrey E. Hinton）在2010年的ImageNet大赛获得冠军的一个神经网络。

如果用全连接神经网络处理大尺寸图像具有三个明显的缺点：

（1）首先将图像展开为一维向量会丢失空间信息；

（2）其次参数过多效率低下，训练困难、耗时；

（3）同时大量的参数也很快会导致网络过拟合。

而使用卷积神经网络可以很好地解决上面的三个问题。

AlexNet网络，是2012年ImageNet竞赛冠军获得者Hinton和他的学生Alex Krizhevsky设计的。在那年之后，更多的更深的神经网路被提出，比如优秀的vgg,GoogleLeNet。其官方提供的数据模型，准确率达到57.1%,top 1-5 达到80.2%. 这相对于传统的机器学习分类算法而言，已经相当的出色.

论文：《ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks》

与常规神经网络不同，卷积神经网络的各层中的神经元是3维排列的：宽度、高度和深度。其中的宽度和高度是很好理解的，因为本身卷积就是一个二维模板，但是在卷积神经网络中的深度指的是卷积核神经元的第三个维度，而不是整个网络的深度，整个网络的深度指的是网络的层数。

2.3 AlexNet的特点

AlexNet中包含了几个比较新的技术点，也首次在CNN中成功应用了ReLU、Dropout和LRN等Trick。同时AlexNet也使用了GPU进行运算加速。

AlexNet将LeNet的思想发扬光大，把CNN的基本原理应用到了很深很宽的网络中。

AlexNet主要使用到的新技术点如下：

（1）ReLU的成功使用与推广

成功使用ReLU作为CNN的激活函数，并验证其效果在较深的网络超过了Sigmoid，成功解决了Sigmoid在网络较深时的梯度弥散问题。虽然ReLU激活函数在很久之前就被提出了，但是直到AlexNet的出现才将其发扬光大。

线性整流函数（Rectified Linear Unit, ReLU），又称修正线性单元，是一种人工神经网络中常用的激活函数（activation function），通常指代以斜坡函数及其变种为代表的非线性函数。 

（2）Dropout的首次实用化

训练时使用Dropout随机忽略一部分神经元，以避免模型过拟合。Dropout虽有单独的论文论述，但是AlexNet将其实用化，通过实践证实了它的效果。在AlexNet中主要是最后几个全连接层使用了Dropout。

深度学习架构现在变得越来越深，dropout作为一个防过拟合的手段，使用也越来越普遍。

2012年，Dropout的想法被首次提出，它的出现彻底改变了深度学习进度，之后深度学习方向（反馈模型）开始展现优势，传统的机器学习慢慢的消声。

dropout改变之前稠密网络中，权重统一学习，参数统一更新的模式，提出在每次训练迭代中，让网络中的部分参数得到学习，即部分参数得到更新，部分参数保持不更新。

 这种方法，看起来简单，但是却解决了，困扰了深度学习方向，一直只能用浅层网络，无法使用深度网络的尴尬局面，（因为随着网络的层数加大，过拟合问题一定会出现）

（3）首次使用最大池化

在CNN中使用重叠的最大池化。此前CNN中普遍使用平均池化，AlexNet全部使用最大池化，避免平均池化的模糊化效果。并且AlexNet中提出让步长比池化核的尺寸小，这样池化层的输出之间会有重叠和覆盖，提升了特征的丰富性。

常用的池化方法有最大池化（max-pooling）和均值池化（mean-pooling）。根据相关理论，特征提取的误差主要来自两个方面：

（1）邻域大小受限造成的估计值方差增大；

（2）卷积层参数误差造成估计均值的偏移。

一般来说，mean-pooling能减小第一种误差，更多的保留图像的背景信息，max-pooling能减小第二种误差，更多的保留纹理信息。与mean-pooling近似，在局部意义上，则服从max-pooling的准则。

max-pooling卷积核的大小一般是2×2。 非常大的输入量可能需要4x4。 但是，选择较大的形状会显着降低信号的尺寸，并可能导致信息过度丢失。 通常，不重叠的池化窗口表现最好。

（4）LRN（局部归一化）竞争机制

提出了LRN层，对局部神经元的活动创建竞争机制，使得其中响应比较大的值变得相对更大，并抑制其他反馈较小的神经元，增强了模型的泛化能力。

LRN（Local Response Normalization） 是一种提高深度学习准确度的技术方法。 LRN 一般是在激活、 池化函数后的一种方法。

（5）GPU并行运算

使用CUDA GPU加速深度卷积网络的训练，利用GPU强大的并行计算能力，处理神经网络训练时大量的矩阵运算。

AlexNet使用了两块GTX 580 GPU进行训练，单个GTX 580只有3GB显存，这限制了可训练的网络的最大规模。因此作者将AlexNet分布在两个GPU上，在每个GPU的显存中储存一半的神经元的参数。因为GPU之间通信方便，可以互相访问显存，而不需要通过主机内存，所以同时使用多块GPU也是非常高效的。同时，AlexNet的设计让GPU之间的通信只在网络的某些层进行，控制了通信的性能损耗。 

（6）数据增强

随机地从256*256的原始图像中截取224*224大小的区域（以及水平翻转的镜像），相当于增加了2*(256-224)^2=2048倍的数据量。

如果没有数据增强，仅靠原始的数据量，参数众多的CNN会陷入过拟合中，使用了数据增强后可以大大减轻过拟合，提升泛化能力，这类似人眼，人眼可以实时的、以各种角度观看和学习一个物理。进行预测时，则是取图片的四个角加中间共5个位置，并进行左右翻转，一共获得10张图片，对他们进行预测并对10次结果求均值。同时，AlexNet论文中提到了会对图像的RGB数据进行PCA处理，并对主成分做一个标准差为0.1的高斯扰动，增加一些噪声，这个Trick可以让错误率再下降1%。

第3章 AlexNet网络结构阐述

3.1 网络架构描述：厚度法

在上图中，该网络有上下两路，两路是完全相同的并行单元，之所以这样表示，而不是合成一路，是因为当时的单个GPU没有那么大的内存，AlexNet是通过两个物理的GPU同时训练。逻辑上，上下两路是可以合在一起的。

（0）输入层：

• 224 * 224 * 3的三通道图片

（1）卷积层1

• 卷积核的尺寸：11 * 11， 从目前 来看，还是偏大的。
• 卷积核的平移步长：4：目前来来看，也是偏大的
• 填充层：0， 无填充
• 卷积核的卷积输出：55 * 55
• 卷积核的个数：48 * 2 = 96

（2）卷积层2：

• 卷积核的尺寸：5 * 5， 
• 卷积核的卷积输出：27  * 27
• 卷积核的个数：128 * 2 = 256

（3）卷积层3：

• 卷积核的尺寸：3 * 3， 
• 卷积核的卷积输出：13  * 13
• 卷积核的个数：192 * 2 = 384

（4）卷积层4：

• 卷积核的尺寸：3 * 3， 
• 卷积核的卷积输出：13  * 13
• 卷积核的个数：192 * 2 = 384

（5）卷积层5：

• 卷积核的尺寸：3 * 3， 
• 卷积核的卷积输出：13  * 13
• 卷积核的个数：128 * 128 = 256

（6）全连接层1：

• 输入：13 * 13 * 256 = 43,264  (进入全连接网络的特征数据)
• 神经元个数：2048 * 2 = 4096
• 输出：4096

（7）全连接层2：

• 输入：4096
• 神经元个数：2048 * 2 = 4096
• 输出：4096

（8）输出层

• 输入：4096 （进行最后分类的特征数据）
• 神经元个数：1000
• 输出：1000（支持1000个分类）

备注：由于激活函数和池化层不是神经元，因此没有在上图中体现。

3.2 网络架构描述：垂直法

（1）采用了最大池化（Max Pooling），池化核为3 * 3， 步长为2

（2）Local Response Normal：局部归一化竞争机制，后来被验证，用处不大。

（3）总的参数个数：35K + 307K + 884 + 1.3M + 442K + 37M + 16M + 4M = 59.968M

（4）等效FLOPs（是“每秒所执行的浮点运算次数”）：720M

• 全连接层的参数大小与浮点计算量的关系是：一致的、相等的。
• 卷积层的参数虽然少（如上图中卷积层1的参数= 35K = 11*11*3 * 96)，等卷积的计算量一点都不少(如卷积层1的参数计算量=105M)，且远远大于全连接网络。
• 卷积层的参数大小与浮点计算量的关系是 = 卷积尺寸（长*宽*高）*  特征图尺寸（长*宽*卷积核数量），例如，第一个卷积层的计算量 = (11 * 11 *3) * (55 * 55 * 96)  = 105,415, 200

3.3 分层解读

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