Alexnet总结/论文笔记

本文主要从如下几个方面分析深度学习Alexnet网络：

1. 为什么Alexnet能在图2012 ImageNet LSVRC-2012 像识别(分类) competition取得这么好的成绩

2. Alexnet的网络结构以及，参数数量的计算

3. 为了避免过拟合使用的技巧：Data Augmentation(数据增强)，正则化Relu以及dropout，局部响应归一化LRN。

4. 对比了多个小的卷积核和大的卷积核的区别(前面BAT面试题)。

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1. Alexnet取得成功的原因，主要三条：

1. 大量数据，Deep Learning领域应该感谢李飞飞团队搞出来如此大的标注数据集合ImageNet；

2. GPU，这种高度并行的计算神器确实助了洪荒之力，没有神器在手，Alex估计不敢搞太复杂的模型；

3. 算法的改进，包括网络变深、数据增强、ReLU、Dropout等。

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2. Alexnet网络结构以及参数数量的计算

Alexnet网络的大体结构如下(论文以及一般的blog都是如下这个图，但是看起来很不直观)：

下面给出两个更好理解的结构图，5个卷积层+3个全连接层：

来源：stackoverflow
https://www.learnopencv.com/understanding-alexnet/

各层的参数计算如下，下图为5个卷积层的参数：

全连接层如下：

可以看到：卷积层的参数明显少于全连接层的参数。其中，网络大概有62.3 million parameters，其中卷积层占比约6%，单占比95%的计算。

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3. 为了避免过拟合使用的技巧：Data Augmentation(数据增强)，正则化Relu以及dropout

3. 1 Data Augmentation(数据增强)

数据增强简单的办法如，图片翻转Mirroring，随机裁剪Random Crops。

3. 2 使用ReLU非线性激活函数

使用ReLU非线性激活函数而不选择sigmoid或tanh函数，ReLU优势在于：

1. 速度快 和sigmoid函数需要计算指数和倒数相比，relu函数其实就是一个max(0,x)，计算代价小很多。

2. 减轻梯度消失问题，从而可以训练更深的网络。

3. 稀疏性 通过对大脑的研究发现，大脑在工作的时候只有大约5%的神经元是激活的，而采用sigmoid激活函数的人工神经网络，其激活率大约是50%。有论文声称人工神经网络在15%-30%的激活率时是比较理想的。因为relu函数在输入小于0时是完全不激活的，因此可以获得一个更低的激活率.

3. 3 使用Dropout(只在最后几个全连接层做)

为什么Dropout有效？

Dropout背后理念和集成模型很相似。在Drpout层，不同的神经元组合被关闭，这代表了一种不同的结构，所有这些不同的结构使用一个的子数据集并行地带权重训练，而权重总和为1。如果Dropout层有 n 个神经元，那么会形成 2^{n} 个不同的子结构。在预测时，相当于集成这些模型并取均值。这种结构化的模型正则化技术有利于避免过拟合。Dropout有效的另外一个视点是：由于神经元是随机选择的，所以可以减少神经元之间的相互依赖，从而确保提取出相互独立的重要特征。

3. 4 局部响应归一化LRN(Local Response Normalization)

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。

补充

2个3*3的卷积层和一个5*5卷积层的区别？(某BAT的一个面试题，也可以理解为多个小的卷积层和一个大的卷积层的区别)，问题来源:stackoverflow，VGG中给出了答案，如下：

1. 多个卷积层可以增加网络的深度，从而学习更复杂的特征
2. 2个3*3的卷积层的参数少于一个5*5卷积层的参数

参考：
https://medium.com/@smallfishbigsea/a-walk-through-of-alexnet-6cbd137a5637
https://www.learnopencv.com/understanding-alexnet/
https://www.nvidia.cn/content/tesla/pdf/machine-learning/imagenet-classification-with-deep-convolutional-nn.pdf
https://zhuanlan.zhihu.com/p/22094600