深度学习笔记3——AlexNet

1、背景介绍

在2012年的ImageNet竞赛中，AlexNet获得了top-5测试的15.3%error rate， 获得第二名的方法error rate 是 26.2%

AlexNet有60 million个参数和65000个 神经元，五层卷积，三层全连接网络，最终的输出层是1000通道的softmax。

训练这种规模的网络要大量的计算能力，AlexNet利用了GPU提供的大量并行能力，利用两块GPU分配网络训练的工作，大大提高了运算效率。

近60年的发展趋势：

2、与LeNet相较

更深更大的LeNet，主要改进：

• 丢弃法（在隐藏全连接层后加入丢弃层）
• 由Sigmoid——>ReLu，可减缓梯度消失
• 由平均池化——>MaxPooling
• 数据增强（随机截取、亮度调节、色温…）

计算机视觉方法的改进：
右侧为AlexNet

3、AlexNet网络结构

AlexNet网络包含8个网络层，5个卷积层，3个全连接层，采用两个GPU进行训练，激活函数ReLu，池化方法为MaxPooling，数据参数大概为240MB。

网络结构示意图如下：

• 在第2个C2卷积层和第3个C3卷积层，以及最后一个卷积层C5和全连接f6层之间，GPU能全部连接；
• 其他层中，每一个神经元只能接受同一个GPU从上一层传来的数据。
  
  

输入图像：227x227x3，远大于MNIST和CIFAR的数据样本，一般越大的输入信息完整性越高。

Conv1卷积层

• 使用11x11的卷积核
• stride=4，输出96个通道。
• 输出特征图55x55x96：55=(227-11)/4+1。

LRN层norm1

• local_size=5
• 输出:27x27x96

pool1池化层

• 3x3的池化核
• stride=2
• 输出特征图27x27x96：27=(55-3)/2+1

Conv2卷积层

• 使用5x5的卷积核
• stride=1，pad=2，group=2，输出256个通道，pad=2保证输入输出尺寸一样。
• 输出特征图27x27x256：27=(27-5 + 2*2)/1+1。

LRN层norm2

• local_size=5
• 输出:13x13x256

pool2池化层

• 3x3的池化核
• stride=2
• 输出特征图13x13x256：13=(27-3)/2+1

Conv3卷积层

• C2卷积层和C3卷积层，GPU能全部连接
• 使用3x3的卷积核
• stride=1，pad=1，输出384个通道。
• 输出特征图13x13x384：13=(13-3 + 2*1)/1+1。

Conv4卷积层

• 使用3x3的卷积核
• stride=1，pad=1，输出384个通道。
• 输出特征图13x13x384：13=(13-3 + 2*1)/1+1。

Conv5卷积层

• 使用3x3的卷积核
• stride=1，pad=1，输出256个通道。
• 输出特征图13x13x256：13=(13-3 + 2*1)/1+1。

pool3池化层

• 3x3的池化核
• stride=2
• 输出特征图6x6x256：6=(13-3)/2+1

f6全连接层

• 卷积层C5和全连接f6层之间，GPU能全部连接
• 全连接：(6x6x256)x4096
• 输出：1x1x4096

dropout层dropout6

• 输出：1x1x4096

f7全连接层

• 输入：1x1x4096
• 总参数量：4096x4096
• 输出：1x1x4096

dropout层dropout7

• 输出：1x1x4096

f8全连接层

• 输入：1x1x4096
• 总参数量：4096x1000
• 输出：1000

4、LRN局部响应归一化

使用LNR：可以使得同一位置不需要太多的高激活函数，对局部神经元的活动创造竞争机制，抑制反馈较小的神经元，放大反应大的神经元，起到侧向抑制的作用，提高了泛化能力。

比如将4个channel落在一起，每一个channel表示卷积核提取出的特征，进行归一化：
将某一个方块作为分子，将周围三个方块的平方和作为分母：
对第二个feature map的3进行LNR(Local Response Normalized)——>0.14=3/(3X3+3X3+2X2)
对第二三个feature map的2进行LNR(Local Response Normalized)——>0.12=2/(3X3+2X2+2X2)

5、防止过拟合，数据增强

• 进行平移(随机裁剪)、水平翻转，数据扩充2048倍，对于256x256的正方形图用224x224的正方形进行裁剪，水平和竖直方向都可裁32次，水平翻转再扩充2倍，所以2048=32x32x2
• 对rgb三通道的颜色和光照的变换，使用PCA主成分分析的方法

6、防止过拟合，Dropout

Dropout示意图

在训练每一步时，随机掐死一部分神经元，使得训练时，隐藏层的每个神经元都有一半的概率被掐死（让它的输出为0，阻断其的前向传播和反向传播）

Dropout能防止过拟合的原因

• 模型集成，p=0.5，意味着2的(共享权重潜在网络的次方)，比如一个隐藏层有10个神经元，那么就是2的10次方
• 记忆随机抹去
• 减少神经元之间的联合依赖性
• 有性繁殖：每个神经元都要随机与另一个神经元协同工作

参考视频连接：https://www.bilibili.com/video/BV1UQ4y1y7A3?from=search&seid=16150507404936429349&spm_id_from=333.337.0.0