CNN经典算法AlexNet介绍

本文是深度学习经典算法解读的一部分：https://www.datalearner.com/blog/1051558603213207

来源论文：[Krizhevsky, Alex, Ilya Sutskever, and Geoffrey E. Hinton. "Imagenet classification with deep convolutional neural networks." Advances in neural information processing systems. 2012.](http://papers.nips.cc/paper/4824-imagenet-classification-with-deep-convolutional-neural-networks.pdf)

2012年发表的AlexNet可以算是开启本轮深度学习浪潮的开山之作了。由于AlexNet在ImageNet LSVRC-2012（Large Scale Visual Recognition Competition）赢得第一名，并且错误率只有15.3%（第二名是26.2%），引起了巨大的反响。相比较之前的深度学习网络结构，AlexNet主要的变化在于激活函数采用了Relu、使用Dropout代替正则降低过拟合等。本篇博客将根据其论文，详细讲述AlexNet的网络结构及其特点。

AlexNet的论文中着重解释了Tanh激活函数和ReLu激活函数的不同特点，解释了多个GPU是如何加速训练网络的，也说明了防止过拟合的一些方法。都是值得学习的很好的内容。

本文主要内容如下：

[TOC]

#### 一、背景简介

在数据量不大的情况下，目前的算法已经能很好地处理识别任务。例如，在MINST的数字识别任务中，目前算法的错误率已经低于0.3%，接近人类的水平了。但是现实世界中的对象有很大的可变性，识别这些对象需要更大的训练数据。由于LabelMe、ImageNet的发展，目前已经有数以百万的标注图像可以使用。

很大的数据集导致训练异常困难。而卷积神经网络（Convolutional Neural Networks，CNN）可以通过改变其结构而控制其大小，并且CNN符合自然界的图像识别的规律导致了其非常有效。相比较同规模的前馈神经网络，CNN的参数却小很多，而性能并不会下降。

这篇论文的主要贡献包括三点：1）训练了一个很大的CNN来处理大规模数据并取得了目前最好的成绩。2）公开了一个基于GPU优化的二维CNN。

#### 二、AlexNet结构特点

##### 2.1、ReLU的非线性问题
类似Tanh的激活函数，是属于饱和非线性，使用梯度下降训练这种激活函数会比非饱和非线性激活函数，如ReLU要慢。函数是否是饱和函数主要看定义域和值域的范围。

非饱和函数的含义是指，当自变量趋于无穷大的时候，其值也趋向无穷大。这个函数如果不是非饱和函数，那么它就是饱和函数了。例如Tanh函数的值域是[-1,1]，显然不符合非饱和函数的定义，因此它就是饱和函数。而ReLU函数则是非饱和函数。>非饱和函数的含义是指，当自变量趋于无穷大的时候，其值也趋向无穷大。这个函数如果不是非饱和函数，那么它就是饱和函数了。例如Tanh函数的值域是[-1,1]，显然不符合非饱和函数的定义，因此它就是饱和函数。而ReLU函数则是非饱和函数。

参考：https://stats.stackexchange.com/questions/174295/what-does-the-term-saturating-nonlinearities-mean

下图就是ReLU激活函数的训练速度和Tanh的对比，ReLU要比Tanh块6倍。

<center>![](https://slideplayer.com/slide/14440995/90/images/6/Faster+Learning+with+ReLU.jpg)</center>
<center></center>

当然，作者也不是第一个考虑更换传统的激活函数，也有人曾经使用|tanh(x)|来处理Caltech-101数据集，但是他们最主要的目的是防止过拟合。而作者主要考虑的是加快训练速度，这在大的网络训练中很重要。

##### 2.2 在多颗GPU上训练
作者使用了两颗GPU并行计算。当前的GPU可以很容易实现并行，因为GPU之间可以互相直接读取内存，而不需要通过主机内存实现。在作者实现的并行方法中，他们将一半的kernels（或者是神经元）放到一颗GPU上，但是用了一个技巧，即GPU之间的通信仅仅在某些层上。举个例子，第3层的kernel从第2层直接读取所有的kernel结果。但是第4层仅仅从相同的GPU中读取第3层的kernel。但是，在交叉验证的时候选择连接的模式可能有点问题，但是这允许我们精确调整通信量以至于达到一个适合的计算量。

##### 2.3、局部响应的正规化（Local Response Normalization）
ReLUs有个很好的特性是它不需要输入正规化来防止它变得饱和。前面说过了，不饱和的函数在梯度下降求解时速度更快。只要某些样本上能对ReLU产生正值的输入，那个神经元就可以学习（敲黑板，记住ReLUs的形状）。然而，作者发现，遵从局部响应的正规化有助于泛化能力。作者提出了一种正规化方法，效果很好，但是这个方法看起来稍微有点复杂，而且和GPU编程有关，这里不详细看了。

##### 2.4、Overlapping Pooling
CNN的池化层在之前用的都是不重叠的，在这里作者发现带重叠的池化层效果更好。重叠的意思就是步长小于kernel的长，这样就产生重叠了。作者观察发现：训练带有重叠池化的模型要更加难以过拟合。至于这个为啥，并没有很清晰的结论。大家可以看下面的一个讨论：
https://www.quora.com/Why-do-training-models-with-overlapping-pooling-make-it-harder-to-overfit-CNNs-in-Krizhevsky-2012

#### 三、AlexNet模型架构
AlexNet总共有8层网络。AlexNet针对的是ILSVRC2012的比赛图像，共有1000个类别。与LeNet-5不同的是，AlexNet输入的图像不再是灰度图像，而是具有RGB三个通道的彩色图片，且大小是256x256。对于不符合要求的需要重新剪裁转换。AlexNet的每一层如下：

**Input：**256x256的RGB三通道图像。因此输入维度是training_numx256x256x3。
**Layer1：**卷积层，96个11x11大小的卷积核扫描，步长为4。使用ReLU激活函数。采用maxpooling池化，3x3，步长为2。然后做了一次局部正规化。
**Layer2：**卷积层，256个5x5的卷积核，步长为1，但是做了padding，padding长度为2。使用ReLU激活函数。采用maxpooling池化，3x3，步长为2。然后做了一次局部正规化。
**Layer3：**卷积层，384个3x3的卷积核，步长为1，使用ReLU激活函数。做了padding，padding长度为1。
**Layer4：**卷积层，384个3x3的卷积核，步长为1，使用ReLU激活函数。做了padding，padding长度为1。
**Layer5：**卷积层，256个3x3的卷积核，步长为1，使用ReLU激活函数。做了padding，padding长度为1。采用maxpooling池化，3x3，步长为2。然后做了一次Dropout(rate=0.5)。
**Layer6：**全连接层，加上ReLU激活函数，4096个神经元。然后做了一次Dropout(rate=0.5)。
**Layer7：**全连接层，加上ReLU激活函数，4096个神经元。
**Layer8：**全连接层，加上ReLU激活函数，1000个神经元。这一层也就是输出层了。

AlexNet总共有6230万个参数（大约），一次前馈计算需要11亿的计算。这里的卷积参数实际只有370万，只占6%左右，但是消耗了95的计算量。这个发现也使得Alex发了另一篇论文来解决这个问题。

参考：https://medium.com/@smallfishbigsea/a-walk-through-of-alexnet-6cbd137a5637

#### 四、防止过拟合
如前所述，AlexNet有六千多万个参数，过拟合是很可能发生的事情。为了防止过拟合，Alex做了如下工作。

##### 4。1、数据增强
数据增强是计算机视觉中最常用的防止过拟合的方法。作者在这里主要使用了两种方法，一个是水平翻转，第二个是更改RGB通道的密集度。

##### 4.2、Dropout
Dropout就是随机删除隐藏层中的神经元，被删除的神经元不会在本次迭代中传递值。因此，每一次迭代都有一个不太一样的网络架构，但是他们都共享权重。这种技术降低了神经元的co-adaptions的复杂性，因此某个神经元不能只依靠某些特定的神经元来计算，这强制整个网络学习更加具有鲁棒性的特征。在测试的时候不会使用Dropout。但是会把结果乘以0.5，近似模仿这种行为。如前面所述，在第5层的卷几层结束做了Dropout，在第6层的全连接层做了Dropout，所以这影响的是最开始的两个全连接层。最后一层输出没有收到影响。
Dropout大约使得收敛的迭代次数翻倍了。这要记住。

#### 五、AlexNet网络特点及问题
作者使用了ReLU方法加快训练速度，并且使用Dropout来防止过拟合，通过多GPU的训练降低训练时间，尽管这些都不是作者自己提出的技巧，但是，作者的工作引起来大家的广泛关注，使得很多人开始利用GPU来训练大型的CNN网络。当然，作者提出的局部响应正规化也在后来被证明没啥效果（看VGG的论文）。但不管如何，这篇论文引起了很多人对深度学习和GPU训练的重视，也算是非常有影响的工作了。

#### 六、代码实现以及预训练的模型

PyTorch最简单：https://github.com/pytorch/vision/blob/master/torchvision/models/alexnet.py

预训练的模型：
https://github.com/onnx/models/tree/master/bvlc_alexnet

CNN经典算法AlexNet介绍

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