卷积神经网络（二）- 深度卷积网络：实例研究

本次学习笔记主要记录学习深度学习时的各种记录，包括吴恩达老师视频学习、花书。作者能力有限，如有错误等，望联系修改，非常感谢！

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第一版       2022-07-16        初稿

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一、为什么要进行实例研究(Why look at case studies?)

提纲：
经典网络：
1.LeNet-5
2.AlexNet
3.VGG
ResNet
Inception

二、经典网络(Classic networks)

LeNet-5识别手写数字：针对灰度图片训练
输入图片32x32x1，使用6个5x5过滤器，s=1；然后平均池化操作，然后卷积，接着池化；最后全连接层有400个节点，每个节点有120个神经元，再接着全连接层，得84个特征，根据其加上softmax函数得到输出。之前LeNet-5用到的是另一种分类器。

此网络还有一种模式：即一个或多个卷积层后跟一个池化层。

过去人们常用sigmoid函数和tanh函数，而非ReLu函数。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/726791

AlexNet：
input：227x227x3的图片
第一层：96个11x11的过滤器，步幅4
池化层：3x3的过滤器构建最大池化层，步幅为2
第三层：5x5卷积
最大池化
same卷积
same卷积
same卷积
最大池化层
池化层为6x6x256=9216，展开9216个单元
两个全连接层FC
最后softmax函数输出识别的结果。

AlexNet和LeNet相似，但LeNet需6万个参数，AlexNet需6000万个参数。
AlexNet更出色原因：
1.能处理包含大量隐藏单元的基本构造模块；
2.使用了ReLu激活函数。
AlexNet在两个GPU上进行训练

经典的AlexNet还有一种层叫“局部响应归一化层(Local Response Normalization,LRN)”，
基本思想是：假如有网络的一块13x13x256，LRN做的是选取一个位置，得到256个数字，并进行归一化。
动机是：对于此图像的每个位置来说，可能并不需要太多的高激活神经元。但被发现LRN好像起不到太大的作用。

VGG网络没有那么多超参数，是一种需要构建卷积层的简单网络。
输入为224x224x64:；
1.64个3x3，步幅1的过滤器构建卷积层，padding为same卷积中的参数，卷积2次；
2.2x2，步幅2的过滤器构建最大池化层；
3.多层卷积池化后，得到7x7x512的特征图进行全连接操作，然后进行softmax激活。

16指的是包含16个卷积层和全连接层，包含1.38亿个参数。

三、残差网络(Residual Networks-ResNets)

跳跃连接：可以从某一层网络层获取激活，然后迅速反馈给另外一层，甚至是神经网络的更深层。

ResNets是由残差块(Residual block)构建的，残差块是两层神经网络，在L层进行激活，得到a^[l+1]，从L层进行激活，首先线性激活，由a^[l]计算出z^[l+1]，然后通过ReLu非线性激活函数得到a^[l+1]=g(z^[l+1])，依次计算。

残差网络中有一点变化，将a^[l]直接向后，拷贝到神经网络的深层，最后操作变为a^[l+2]=g(z^[l+2]+a^[l])。

没跳跃前为普通网络(Plain network)
如图左，普通神经网络，现实中往往先好，然后再坏；而理论应该一直好。
如图右，ResNet中，即使网络再深，训练表现不错。

四、残差网络为什么有用(Why ResNets work?)

训练ResNets，假设一大型神经网络，输入x，输出a^[l]，如图上，再添加两层，如图下。假设整个网络使用Relu函数，激活值大于等于0。
假设w和b为0，z便没有了。a^[l+2]=a^[l]。

不仅要保持网络的效率，还要提升它的效率。ResNets使用了很多same卷积，使得a^[l]维度和z^[l+2]的维度相等。输入输出维度不同时，增加W，维度为256x128，维度便相同了，网络通过学习能得到合适的W。

如图Plain，有多个卷积层，最后输出一个softmax。

如图ResNets，只需在Plain中添加跳跃连接，便成为ResNets。

五、网络中的网络以及1x1卷积(Network in Network and 1x1 convolutions)

过滤器为1x1，使用32个。对6x6用途不大，但对6x6x32的卷积效果更好，其计算左图中32个数字和过滤器中32个数字的元素积之和，然后应用ReLu非线性函数。输出为6x6x过滤器数量。

input：28x28x192，使用卷积层，32个1x1x192的过滤器，压缩了通道数。
NIN就是给神经网络添加了一个非线性函数，从而减少或保持输入层中的通道数量不变。

六、谷歌Inception网络简介(Inception network motivation)

构建卷积层时，要决定过滤器大小，或加不加池化层。而Inception的作用是帮助你做决定。

若为1x1卷层，输出结果为28x28x64；使用3x3；使用5x5；使用池化，为匹配维度加入padding。

1.第一个架构(只有右半部分)32个5x5过滤器，5x5x192 乘以 28x28x32，约为1.2亿。

2.另一个架构输入28x28x192，输出为28x28x32。使用1x1卷积把输入值从192个通道减少到16个通道，然后对较小的层使用5x5。中间层称为瓶颈层(bottleneck lag)。

接下来看看计算成本：
28x28x16层的计算成本为28x28x16x192约为240万。
第二个卷积层，28x28x32 乘以 5x5x16 约为1000万。
计算成本即为两层之和。与第一个架构比较，成本下降到了原本的十分之一。

七、Inception网络(Inception network)

Inception模块会将之前层的激活或者输出作为它的输入，然后先通过一个1x1的层，再通过一个5x5的层。还有其他等类似操作。

为了最后将输出连接起来，使用same类型的padding来池化，进行最大池化时，输出将是和输入层一样，实际上加上一个1x1的卷积层，通道将缩小。

最后组合在一起，得到28x28x256。

如图有多个Inception模块，有些输入中多加个池化层修改高和宽的维度。

论文中除了如上所述的Inception模块中的，还多了一个全连接层，最后softmax输出。可看成是其一个细节，确保了即便是隐藏单元和中间层也参与了特征计算，并防止了过拟合。

Inception Network 被称为GoogleLeNet，向LeNet致敬。

八、使用开源的实现方案(Using open-source implementations)

很多神经网络复杂细致难以复制，参数调整的细节问题。通过github找源码。

九、迁移学习(Transfer Learning)

假设构建一个猫咪检测器，现在判断猫是Tigger还是Mity还是都不是。

当包含上述猫的图片较少时，训练集会很小，可以从网上下载一些神经网络开源的实现，代码权重都下载下来。例如：ImageNet数据集有1000个不同类别，会有一个softmax激活。可以去掉softmax层，创建自己的softmax层，用来输出三类。可以把所有层看作是冻结的，只需训练和自己softmax层相关的参数。会有trainableParameter=0的参数，不训练这些参数，会有freeze=1的参数。
第二种技巧，由于前面的层都冻结了，可把输入图像X映射到softmax前一层，计算特征或激活值，然后存到硬盘，然后在此之上训练softmax分类器，存到硬盘优点是不需要每次遍历训练集。

若有较多猫图，1.应冻结更少的层，训练后边的层，建立自己的分类器。2.同样可以取后边几层权重，用作初始化，然后梯度下降。3.可直接去掉后几层，换成自己的隐藏单元和softmax输出层。数据越多，冻结层就越少。

若有大量猫图，用开源的网络和权重用作初始化训练，softmax改为自己的。

十、数据增强(Data augmentation)

1.首先最简单的方法是垂直镜像对称(Mirroring)。
2.接着是随机裁剪(random cropping)。
3.还可用旋转，剪切，扭曲变形引入局部弯曲…

彩色转换，给R、G、B三个通道加上不同的失真值。实践中可根据某种概率分布来决定。

对RGB有不同的采样方式，1.影响颜色失真的算法PCA，若图中红蓝多，绿色少，PCA颜色增强算法对红蓝增减很多，绿色变化相对少。

可能有存好的数据在硬盘上，有小数据集可以做任何事情，数据集够用了。
若有较大的训练集，可能用CPU线程，不停从硬盘读数据，可用CPU线程实现变形失真。与此同时，CPU线程持续加载数据，然后实现失真变形，从而构建批数据，数据持续输出到其他线程或进程，开始训练，可在CPU或GPU上训练。

十一、计算机视觉现状(The state of computer vision)

可认为大部分机器学习问题是结余少量数据和大量数据范围之间的，如语音识别、图像识别或分类、目标检测。
当有很多数据时，倾向更简单的算法和更少的手工工程。没那么多数据时，则相反。

我们的学习算法有两种知识来源：
1.被标记的数据
2.手工工程
有少量数据时，迁移学习会有很多帮助。

基准测试的小技巧：
1.集成，想好NN后，可独立训练几个NN，并平均输出。可能要从3-15个不同网络中运行一个图像。
集成要保持所有不同神经网络，占用了更多的计算机内存。

2.Multi-crop at test time，将数据增强应用到测试图像中，去中心的crop，再取四个角落的crop，如图会有10种不同图像的crop，叫做10-crop。

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1. 深度学习-吴恩达 ↩︎