Caffe AlexNet网络

转自： http://blog.sina.com.cn/s/blog_eb3aea990102v47i.html

在2012年的时候，Geoffrey和他学生Alex为了回应质疑者，在ImageNet的竞赛中出手了，刷新了image classification的记录，一举奠定了deep learning 在计算机视觉中的地位。后边的故事大家都知道了，deep learning一统天下，所向披靡。

在这次竞赛中Alex所用的结构被称为作为AlexNet。本部分首先介AlexNet的基本的architecture，在后边的学习中将分析其算法的基本原理以及参数细节。


针对2012年的这组数据集caffe也定义了自己的结构，被称为caffeNet，文档中说在迭代30多w次的的情况下精度大概提高了0.2个百分点。下面是两个Net的结构图，它们的区别在于norm1，pool1，以及norm2，pool2互换了顺序。




下面来看一下AlexNet的结构。在Alex的论文中，其基本结构为




1. 基本结构

a. 共有8层，其中前5层convolutional，后边3层full-connected ，最后的一个full-connected层的output是具有1000个输出的softmax，最后的优化目标是最大化平均的multinomial logistic regression

b. 在第一层conv1和conv2之后直接跟的是Response-nomalization layer，也就是norm1，norm2层。

c. 在每一个conv层以及full-connected层后紧跟的操作是ReLU操作。

d. Max pooling操作是紧跟在第一个norm1，norm2，以及第5个conv层，也就是conv5

e.Dropout操作是在最后两个full-connected层。

2. 操作流程

a. 在第一个conv层（conv1）中，AlexNet采用了96个11*11*3的kernel在stride为4的情况下对于224*224*3的图像进行了滤波。直白点就是采用了11*11的卷积模板在三个通道上，间隔为4个像素的采样频率上对于图像进行了卷积操作。4个像素是receptive field中心在kernel map上的距离，这是个经验数据。

最初的输入神经元的个数为224*224*3 = 150528个。对于每一个map来说，间隔为4，因此224/4 = 56，然后减去边缘的一个为55个，也就是本层的map大小为55*55，然后神经元数目为55*55*96 = 290400（原文中是253440，这个不太理解，有知道的请告知）

得到基本的conv数据后，则进行一次ReLU（relu1）以及Norm（norm1）的变换后，然后进行pooling（pool1），作为输出传递到下一层。

本层map数目为96.

b.第二个conv层(conv2)是第一个conv层(conv1)经过norm(norm1)以及pool(pool1)后，然后再apply 256个5*5的卷积模板卷积后的结果。

pool1后，map的size减半int（55/2）= 27，得到的本层的神经元数目为27*27*256 = 186642个。

本层map数目为256个。

c. 第三个conv层(conv3)的生成过程和第二层类似，不同的是这一层是apply 384个3*3的卷积模板得到的。

pool2后，map的size减半int(27/2) = 13，得到本层神经元数目为13*13*384 = 64896。

本层map数目为384个。

d. 第四个conv层(conv4)是第三个conv层(conv3)进行一次ReLU(relu3)后，然后直接apply 384个3*3的卷积模板得到的。

本层神经元的数目为13*13*384 = 64896。

本层map数目为384个，size还是13*13.

e. 第五个conv层(conv5)与第四个生成类似，只是对上层进行了一个ReLU(relu4)后生成的，不同之处在于此处apply的卷积模板为256个3*3的。

本层神经元的数目为13*13*256 = 43264。

本层map数目为256个，size还是13*13。

f. 第一个full-connected层(fc6)是上一个conv层(conv5)进行pooling(pool5)后的全连接。

pool5后，map的size减半int(13/2) = 6，上层基本连接为6*6*256，然后全连接后到4096个节点，本层最终节点为4096个。

g.第二个full-connected层(fc7)是上一个full-connected(fc6)进行ReLU(relu6)后，然后进行dropout(drop6)后再进行全连接的结果

本层节点数目为4096个。

h.最后一个full-connetcted层(fc8)则是上一个full-connected层(fc7)再次进行ReLU(relu7)以及dropout(drop7)后再进行全连接的结果。最后输出为融合label的softmax loss。

本层节点数目为1000个，对应着1000类对象。

在下面将对于AlexNet的原理进行以及算法的执行细节进行分析。

在机器学习中，我们通常要考虑的一个问题是如何的“以偏概全”，也就是以有限的样本或者结构去尽可能的逼近全局的分布。这就要在样本以及结构模型上下一些工夫。

在一般的训练任务中，考虑的关键问题之一就是数据分布是否合理：首先是数据集的覆盖度，也就是数据集是否能够覆盖样本空间；其次还要尽可能的保证具有和真实数据一样的分布（注意数据分布是未知的，你只能根据一些先验来近似），这样的数据才是有效的。当然这些方式只是增大了得到正确解的概率，而并不能保证一定可以得到正确解。当你不知道你所取的训练集合是否和真实分布一致的时候，那么就要多取几次，每一个数据集都算算，对于分类器也是这样，单个分类器往往不能精确描述一个分界面，那么我们就组合一下，每个都算算。从方法论上讲，对于事物观察到的往往是局部，因此会犯以偏概全的错误，如果能够将所得到的“偏” ensambling 一下，那么就生成了相对的“全”，从而可以更大的概率逼近总体分布。这种思想在好多方面都体现出来，如交叉验证，经典的RANSAC，Random Tree（forest），Adaboost 等方法。

下面将从数据和模型两个方面来学习一下AlexNet中的一些技巧，主要参考的是Alex 2012 年的 NIPS论文ImageNet classification with deep convolutional neural networks.
 
1. 数据的处理：

到目前为止，还没有人看到数据集的大小对deeplearning算法理论上限造成的影响，也就是说数据集合还没有达到临界点，所以增加数据集只有好处，没有坏处。

在Alex的论文中，采用了两个方法对于图像进行了增强。

a. 增大训练样本：通过对于图像的变换实现了对于数据集合的enlarge。首先对于输入的图像（size 256*256）随机提取224*224的图像集合，并对他们做一个horizontal reflections。变换后图像和原图像相差了32个像素，因此主体部分应该都包含在训练集合中，相当于在位置这个维度上丰富了训练数据。对horizontal reflections来说，相当于相机在主轴方向做了镜像，丰富了反方向的图像。数据集合增大了2048倍，直接结果就是降低了overfitting同时降低了网络结构设计的复杂层度。

在测试阶段，取每一个测试样本四个角以及中间区域，一共5个patch然后再镜像后得到10个样本输入到网络中，最后将10个softmax输出平均后作为最后的输出。

b.使用PCA对于训练数据进行增强：对于每一个RGB图像进行一个PCA的变换，完成去噪功能，同时为了保证图像的多样性，在eigenvalue上加了一个随机的尺度因子，每一轮重新生成一个尺度因子，这样保证了同一副图像中在显著特征上有一定范围的变换，降低了overfitting的概率。

以上的策略是不是真的有必要，这个还是要打一个问号，因为对于a部分来说，样本少，可以在结构设计上下下功夫，可能达到相同的效果。对于b来说，deeplearning还需要对于图像加入增强处理吗？如果这样的话，自然也可以用一些传统人工特征先来一遍，再deeplearning了。我想关键的原因是deeplearning还没有真正的被证明的规则，所以你用什么策略都有点道理，但是谁敢保证不是“以偏概全”呢？

2. 模型结构：

在模型的设计上，AlexNet做了一个Local Response Normalization的处理，同时在节点的选择上采用了一个dropout策略。

a. Local Response Normalization.

公式如下，其中a是每一个神经元的激活，n是在同一个位置上临近的kernel map的数目，N是可kernel的总数目，k，alpha，beta都是预设的一些hyper-parameters，其中k=2，n=5，alpha = 1*e-4，beta = 0.75。



从这个公式中可以看出，原来的激活a被加一个归一化权重（分母部分）生成了新的激活b，相当于在同一个位置（x，y），不同的map上的激活进行了平滑，但是至于为什么k，alpha，beta这样来设置，没有想太清楚。

这个平滑大概可以将识别率提高1-2个百分点。

b. Dropout策略

使用多个model来共同进行预测是一个降低test errors的基本方法，但是单独的训练多个model组合会导致整个的训练成本增加，毕竟训练一个单一的网络需要很长的时间，即便计算资源足够，在不影响精度的情况下降低整个运算时间还是我们追求的目标。

由此Hinton提出了dropout策略，这个策略很简单，对于每一个隐层的output，以50%的概率将他们设置为0，不再对于forward或者backward的过程起任何作用。对于每一个input来说，使用的不同的网络结构，但是权重是共享的。这样求得的参数能够适应不同的情况下的网络结构，也就是提高了系统的泛化能力。

在AlexNet中最后的两个full-connected层中使用了这个策略。

3. 优化算法的参数

论文中使用SGD算法，基本参数设置在前面优化算法的总结中已经提到了。这里要说几个个人体会。

 a. 原文中输入的batch数目是256，应该Alex经过调节后的结果，我实际用到的机器性能比较低，内存8G，显存4G，所以不得不就将batch数目往下调到64，以免产生out of memory的错误。这样就需要调节其他的参数来保证数据的收敛。原因是batch比较小，导致本文开篇提到的样本覆盖面过低，产生了非常多的局部极小点，在步长和方向的共同作用下，导致数据产生了震荡，导致了不收敛。

b.在这种情况下，把learning rate调节到了0.02，相当于加大了步长，这样可以在一定程度上避免震荡，可以越过局部极小点往比较大的极值点行走。

c. 对于每一层的bias从1设置为了0.1，在一定程度上限制了激活的大小，这样就限制了某一过大的误差的影响，这样可以避免迭代方向出现过大的变化。

d. 经过b c后，系统终于收敛了，但带来的不良后果就是整个收敛速度变慢，因此还需要增加最大迭代次数，经过测试迭代次数成了从45w修改成了70w。

e. 在整个运行过程中，出现了几次平稳点，20w以及40w左右的时候，因此迭代的learning rate应该随着迭代的接近平稳点的时候有意的减小一些，目前是以每10w次减小为1/10，调参数用了5天，最后运行时间为15天。

f. 关于调参策略，上面只是按照一些简单的理解设置的，如果没有一个合理的解释，调参就变成了一个很low的工作。还好发现了好几篇关于调参的论文，主要是优化算法理论方面的，学习完再回来测试一下。