深度卷积网络的实际应用

目录

1、三种经典的深度卷积网络

1.1、LeNet-5

1.2、AlexNet

1.3、VGG

2、残差网络

3、Inception 网络（Inception network）

4、迁移学习

5、数据增强

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1、三种经典的深度卷积网络

1.1、LeNet-5

•  使用 sigmoid 函数和 tanh 函数，而不是ReLu 函数，这篇论文中使用的正是 sigmoid 函数和 tanh 函数
• LeNet-5 是针对灰度图片训练的，所以图片的大小只有 32×32×1
• 6 个 5×5 的过滤器，步幅为 1 。由于使用了 6 个过滤器，步幅为 1 ， padding 为 0 ，输出结果为 28×28×6 ， 图像尺寸从 32×32 缩小到 28×28 。然后进行池化操作
• 接下来是卷积层，用一组 16 个 5×5 的过滤器，新的输出结果有 16 个通道
• 池化层，高度和宽度再缩小一半，输出一个 5×5×16 的图像。将所有数字相 乘，乘积是 400
• 全连接层，在全连接层中，有 400 个节点，每个节点有 120 个神经元，这里已 经有了一个全连接层。但有时还会从这 400 个节点中抽取一部分节点构建另一个全连接层， 就像这样，有 2 个全连接层
• 最后一步就是利用这 84 个特征得到最后的输出，我们还可以在这里再加一个节点用来 预测^ 的值， ^ 有 10 个可能的值，对应识别 0-9 这 10 个数字

1.2、AlexNet

• 实际上，这种神经网络与 LeNet 有很多相似之处，不过 AlexNet 要大得多。正如前面讲
  到的 LeNet 或 LeNet-5 大约有 6 万个参数，而 AlexNet 包含约 6000 万个参数。当用于训练图 像和数据集时，AlexNet 能够处理非常相似的基本构造模块，这些模块往往包含着大量的隐藏单元或数据，这一点 AlexNet 表现出色。 AlexNet 比 LeNet 表现更为出色的另一个原因是它使用了 ReLu 激活函数。 GPU 的处理速度还比较慢，所以 AlexNet 采用了非常复杂的 方法在两个 GPU 上进行训练。大致原理是，这些层分别拆分到两个不同的 GPU 上，同时还 专门有一个方法用于两个 GPU 进行交流

1.3、VGG

• VGG-16 网络没有那么多超参数，这是一种只需要专注于构建卷积层的简单网络
• VGG-16 的这个数字 16 ，就是指在这个网络中包含 16 个卷积层和全连接 层。确实是个很大的网络，总共包含约 1.38 亿个参数，即便以现在的标准来看都算是非常 大的网络。但 VGG-16 的结构并不复杂，这点非常吸引人，而且这种网络结构很规整，都是 几个卷积层后面跟着可以压缩图像大小的池化层，池化层缩小图像的高度和宽度。同时，卷积层的过滤器数量变化存在一定的规律，由 64 翻倍变成 128 ，再到 256 和 512 。作者可能认为 512 已经足够大了，所以后面的层就不再翻倍了。无论如何，每一步都进行翻倍，或者说在每一组卷积层进行过滤器翻倍操作，正是设计此种网络结构的另一个简单原则。这种相对一致的网络结构对研究者很有吸引力，而它的主要缺点是需要训练的特征数量非常巨大

2、残差网络

• 非常非常深的神经网络是很难训练的，因为存在梯度消失和梯度爆炸问题
• 跳跃连接（ Skip connection ），它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
• 可以利用跳跃连接构建能够训练深度网络的 ResNets ， 有时深度能够超过 100 层
• 在残差网络中有一点变化，我们将 [] 直接向后，拷贝到神经网络的深层，在 ReLU 非线
  性激活函数前加上 [] ，这是一条捷径。 [] 的信息直接到达神经网络的深层，不再沿着主路
  径传递，这就意味着最后这个等式 ( [+2] = ( [+2] ) ) 去掉了，取而代之的是另一个 ReLU 非 线性函数，仍然对 [+2] 进行 函数处理，但这次要加上 [] ，即： [+2] = ( [+2] + [] ) ， 也就是加上的这个 []产生了一个残差块。ResNet 网络就是通过将很多这样的残差块堆积在一起，形成一个很深神经网络

  

3、Inception 网络（Inception network）

• 构建卷积层时，要决定过滤器的大小究竟是 1×1，3×3 还是 5×5，或者要不要添加池化层。而 Inception 网络的作用就是代替你来决定，虽然网络架因此变得更加复杂，但网络表现却非常好
• Inception 网络是由 Google 在 2014 年提出的一种卷积神经网络结构，用于解决深层网络中的梯度消失和参数爆炸问题。其中，1*1 的卷积被广泛应用于通道的压缩
• 在 Inception 网络中，1*1 卷积被称为 Inception 模块的 1*1 分支。它主要用于降低网络的计算量和参数数量，同时也能够提高模型的表达能力。具体实现方式如下：

（1）、输入的特征图为 H * W * C ，其中 H 表示高度，W 表示宽度，C 表示通道数

（2）、通过使用 1*1 的卷积核，将输入的特征图进行通道的压缩。使用较小的通道数可以降低计算量和参数数量，同时也可以增加网络的非线性能力

（3）、1*1 卷积核的数量通常是根据需求进行设置的。例如，如果希望将输入特征图的通道数压缩为原来的一半，那么可以设置 1*1 卷积核的数量为 C/2

（4）、1*1 卷积的操作是逐像素进行的，即对于输入特征图的每个像素点，都会与 1*1 卷积核进行卷积运算

（5）、经过 1*1 卷积操作后，输出的特征图为 H * W * (C/2)

• Inception网络模块

• Inception网络

4、迁移学习

•  如果有大量数据，应该做的就是用开源的网络和它的权重，把这、所有的权重当作初始化，然后训练整个网络。再次注意，如果这是一个 1000 节点的 softmax，而只有三个输出，需要自己的 softmax 输出层来输出你要的标签

5、数据增强

• 数据增强是经常使用的一种技巧来提高计算机视觉系统的表现
• 数据增强的方法：

（1）、 垂直镜像对称：假如，训练集中有这张图片，然后将其

翻转得到右边的图像

（2）、随机裁剪，给定一个数据集，然后开始随机裁剪，可能修剪这 个（编号 1），选择裁剪这个（编号 2），这个（编号 3），可以得到不同的图片放在数据集中，你的训练集中有不同的裁剪。随机裁剪并不是一个完美的数据增强的方法，如果你随机裁剪的那一部分（红色方框标记部分，编号 4），这部分看起来不像猫。但在实践中，这个方法还是很实用的，随机裁剪构成了很大一部分的真实图片