3D机器学习（12）：AlexNet、VGG、GoogNet、Resnet、Densenet、nn.Module、数据增强

从2010年开始，深度学习开始进入人们视野，2012年的Alexnet是第一个真真意义上的深度网络，尽管只有8层，但其错误率只有16.4%，2015年微软亚洲研究院的何凯明同学的Resnet使得错误率降低至3.57。

AlexNet 人工分配两块GPU，因此上图会有两条路线，但现在都是框架自己主动分配了。使用了11*11的卷积核。7层隐藏层，共8层，60M的参数，训练了1周。现在不会用这种网络结构了，因为太过时了。

VGG是牛津大学的成果，共有6个版本。比如-16版，-19版，11版。创新在于使用小窗口感受器（卷积核）。拿到了2014年的imageNet的第二名。1*1的卷积核作用：把多个通道累加起来，减少通道数，即减少维度。

2014年第一名是GoogNet，也使用了更小的卷积核。这个网络特点是使用了不同尺寸的卷积核对同一个通道操作，即同一层有不同的尺寸的卷积核，然后把结果concat，如果输出尺寸不一致，则可以控制步长即可。因此可以感受到不同层次的数据。共22层

按理说层数越多，模型复杂度可以更复杂。但当层数到了20层以上，训练很难，容易不收敛。因为随着网络深度加深，参数不断增加，每次求梯度都会使得梯度衰减，或者说梯度的误差累计，进而导致后面的网络因梯度消失而训练不动了。

深度残差网络：Resnet引入短路，可以退化至浅层网络。使得更深层次网络的训练成为可能。短路操作又叫残差，因为短路之间的部分网络，学习的是前后连接之间的差值。比如Resnet可以退化到VGG。152层。Resnet在多个领域都有10%以上的提升，是跨时代的网络。      

这张图可以看出，性能最好的是inception-V4、resnet。尽管Alexnet计算量小，但是性能只有55%。VGG计算量非常大，但性能中等。所以不要使用VGG。所以现在使用inception-V4、resnet就OK。

Resnet由上图的基本单元堆叠而成，因此只需要实现基本单元，再在容器里堆叠即可。以上代码是实现基本单元。先是一个conv1卷积层，然后是一个BatchNorm2d归一化。激活函数使用F.relu。假设ch_in（通道输入）是256通道的图片，ch_out输出是256通道的图片，输入输出通道一致。如果不一致，即代码中extra中间部分if ch_out!=ch_in部分，可以使用1*1的卷积核降低通道数 。中间是1*1的卷积核，降低维度至64通道，然后继续用3*3尺寸卷积核提取特征，此时仍然为64通道，最后用1*1返回成256通道。先变成64通道是为了减少参数数量。代码中和图片不太一致，是用了两个3*3的卷积核，每次用完后赶紧数据归一化。最后是残差相加，即extra+out得到最终的out。

Densenet是在Resnet上改进的，上图是Resnet，下图是Densenet，使得每两层之间都可能断开，而不是仅相邻层间可以断开。因为断开很密集，所以叫Dense。

nn.Module是一个类，因此在我们自定义网络时，如下的My_Linear网络，先继承nn.Module类，再初始化定义w和b参数，然后定义前向计算构建的过程。

直接继承nn.Module的好处：nn.Module是一个基本的父类，其中有很多方便调用的函数（方法），比如nn.Conv2d，各种激活函数，各种卷积层。还有nn.Senquential函数可以方便重复某些网络，比如要建立152层网络，就可以使用这个，自动完成152层的前向计算。此外也方便管理w\b参数。

 

数据增强

Flip翻转

随机垂直翻转+随机水平翻转，再转化为Tensor，如果有需要可以Normalize归一化。

Rotate旋转、random Move随机移动、Crop裁剪