卷积神经网络之AlexNet

2019-08-05 本文已影响9人 Ice_spring

AlexNet网络结构剖析

2012年AlexNet在ImageNet大赛上一举夺冠，展现了深度CNN在图像任务上的惊人表现，掀起了CNN研究的热潮，深度学习自此引爆，在AlexNet之前，深度学习已经沉寂了很久。该网络是以论文的第一作者 Alex Krizhevsky 的名字命名的，另外两位合著者是 Ilya Sutskever 和 Geoffery Hinton。
该网络结构如下（为了讲清楚AlexNet结构，找了不同的示意图）：

原论文AlexNet

AlexNet2

AlexNet3

需要注意的是，论文发表时的GPU运算能力达不到该网络的训练需求，所以使用的是两个GPU并行，中间为了提高模型效果使用了不少交互相关的Trick。我们下面只关注网络结构，不关注两个GPU处理之间的交互。

下面对该结构做详细介绍，数据预处理首先将所有图像都处理为256×256×3的图像，随后AlexNet通过随机采样的方式从中选取一张227×227×3的图片作为输入（原论文AlexNet结构图示写的是224×224×3，AlexNet2是吴恩达老师讲义中的图示，经计算确实应该是227）。
注：以下卷积操作由于卷积核通道数和上一层次输出FeatureMap个数相同，故没有写进Kernel中，Kernel的最后一个参数是卷积核个数。

第一个卷积层Kernel=(11,11,96)，Padding=0，Stride= 4，因此输出大小为 $\frac{(227-11+2×0)}{4}+1=55$ ，将输出经过Relu激活层后，进行Local Response Normalization(LRN局部响应归一化)，之后经过一个3×3的Maxpooling，Stride=2，Padding=0，于是输出大小为 $\frac{(55-3+2×0)}{2}+1=27$ ；
第二个卷积层，Kernel=(5,5,256)，Padding=2，Stride=1，于是输出为 $\frac{(27-5+2×2)}{1}+1=27$ ，接着Relu，LRN，之后经过一个3×3的Maxpooling，Stride=2，Padding=0，于是输出大小为 $\frac{(27-3+2×0)}{2}+1=13$ ；
第三个卷积层，Kernel=(3,3,384)，Padding=1，Stride=1，输出为 $\frac{(13-3+2×1)}{1}+1=13$ ，接着经过Relu层；
第四个卷积层和第三层操作一样；
第五个卷积层，Kernel=(3,3,256)，Padding=1，Stride=1，输出为 $\frac{(13-3+2×1)}{1}+1=13$ ，Relu，之后经过一个3×3的Maxpooling，Stride=2，Padding=0，于是输出大小为 $\frac{(13-3+2×0)}{2}+1=6$ ；-
全连接层1，这一层实际上是4096个(6,6,256)的Kernel，只是正好可以看做拉直后的全连接，接着依次经过Relu，Dropout；
全连接层2，4096，依次经过Relu，Dropout。
全连接层3，输出1000个结果，Softmax给出分类。

在原论文的双GPU并行计算结构下，卷积层 Conv2，Conv4，Conv5中的卷积核只和位于同一GPU的上一层的FeatureMap相连，于是需要训练的参数数量是：

卷积层的参数 = 卷积核的数量 * 卷积核 + 偏置
Conv1: 96个11×11×3的卷积核，96×11×11×3+96=34848
Conv2: 2组，每组128个5×5×48的卷积核，(128×5×5×48+128)×2=307456
Conv3: 384个3×3×256的卷积核，3×3×256×384+384=885120
Conv4: 2组，每组192个3×3×192的卷积核，(3×3×192×192+192)×2=663936
Conv5: 2组，每组128个3×3×192的卷积核，(3×3×192×128+128)×2=442624
FuulC6: 4096个6×6×256的卷积核，6×6×256×4096+4096=37752832
FuulC7: 4096∗4096+4096=16781312
output(FuulC8): 4096∗1000=4096000

而实际如果Conv2，Conv4，Conv5也合在一块计算的话，这3个层次中相应的参数数量会翻倍。
不过，从上面也可以看出，参数大多数集中在全连接层，在卷积层由于局部连接和权值共享，权值参数相对较少。

AlexNet的特点及其解释

AlexNet首次在CNN中成功应用了ReLU和Dropout等Trick，同时也使用了GPU进行运算加速。

激活函数ReLu：
在最初，Sigmoid和Tanh函数最常用的激活函数。在网络层数较少时，Sigmoid函数的特性能够很好地向后传递信息。但它有一个很大的问题就是梯度饱和（梯度消失）。
$\sigma(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$

sigmoid

所谓梯度饱和就是当输入的数字很大（或很小）时，其导数值接近于0。这样在深层次网络结构中进行反向传播时，由于链式法则，很多个很小的sigmoid导数相乘，导致其结果趋于0，权值更新将非常缓慢。
而ReLU是一个分段线性函数：
$ReLu=max(x,0)$

ReLu

相比于Sigmoid不仅运算更快，且导数是恒定值，一般不会发生严重的梯度饱和。另外Relu会使一部分神经元的输出为0，这样就形成了网络的稀疏性，减少了参数的相互依赖，从而一定程度抑制了过拟合。

Dropout
对Dropout可以有以下几个层面的解释。
组合解释：每次的Dropout都相当于训练了一个子网络，最终结果是这些子网络的组合；
动机解释：Dropout的使用降低了参数之间的依赖性，减弱了神经元之间相互依赖协作的工作模式，从而提高了神经元的独立学习能力，增加了模型泛化能力；
数据解释：对于Dropout后的训练结果总能找到与之对应的样本，这相当于数据增强。

AlexNet逻辑的TensorFlow实现

由于是用个人的PC跑程序，相当于只有一个运算中心，所以不可能实现论文最原始的网络了，我们只实现AlexNet的核心逻辑。另外，后来的实验发现LRN会让前向传播和反向传播的速度降低，但最终对模型效果提升却不明显，所以只有AlexNet用LRN，其之后的模型都放弃了。这里实现的网络中虽然加入了LRN，但为了训练速度可以自行删除LRN过程：

# -*- coding:utf-8 -*-
import tensorflow as tf
import time
import math
from datetime import datetime
 
batch_size=32
num_batch=100
keep_prob=0.5
def print_architecture(t):
    
    print(t.op.name," ",t.get_shape().as_list()) 
def inference(images):
    '''构建网络'''
    parameters=[]  #储存参数
 
    with tf.name_scope('conv1') as scope:
 
        kernel=tf.Variable(tf.truncated_normal([11,11,3,96],
                           dtype=tf.float32,stddev=0.1),name="weights")
        conv=tf.nn.conv2d(images,kernel,[1,4,4,1],padding='SAME')
        biases=tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[96],  dtype=tf.float32),
                           trainable=True,name="biases")
        bias=tf.nn.bias_add(conv,biases) # w*x+b
        conv1=tf.nn.relu(bias,name=scope) # reLu
        print_architecture(conv1)
        parameters +=[kernel,biases]
 
        #添加LRN层和max_pool层
        lrn1=tf.nn.lrn(conv1,depth_radius=4,bias=1,alpha=0.001/9,beta=0.75,name="lrn1")
        pool1=tf.nn.max_pool(lrn1,ksize=[1,3,3,1],strides=[1,2,2,1],
                             padding="VALID",name="pool1")
        print_architecture(pool1)
 
    with tf.name_scope('conv2') as scope:
        kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([5, 5, 96, 256],
                                                 dtype=tf.float32, stddev=0.1), name="weights")
        conv = tf.nn.conv2d(pool1, kernel, [1, 1, 1, 1], padding='SAME')
        biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[256], dtype=tf.float32),
                             trainable=True, name="biases")
        bias = tf.nn.bias_add(conv, biases)  # w*x+b
        conv2 = tf.nn.relu(bias, name=scope)  # reLu
        parameters += [kernel, biases]
        # 添加LRN层和max_pool层
        lrn2 = tf.nn.lrn(conv2, depth_radius=4, bias=1, alpha=0.001 / 9, beta=0.75, name="lrn1")
        pool2 = tf.nn.max_pool(lrn2, ksize=[1, 3, 3, 1], strides=[1, 2, 2, 1],
                               padding="VALID", name="pool2")
        print_architecture(pool2)
 
    with tf.name_scope('conv3') as scope:
        kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([3, 3, 256, 384],
                                                 dtype=tf.float32, stddev=0.1), name="weights")
        conv = tf.nn.conv2d(pool2, kernel, [1, 1, 1, 1], padding='SAME')
        biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[384], dtype=tf.float32),
                             trainable=True, name="biases")
        bias = tf.nn.bias_add(conv, biases)  # w*x+b
        conv3 = tf.nn.relu(bias, name=scope)  # reLu
        parameters += [kernel, biases]
        print_architecture(conv3)
 
    with tf.name_scope('conv4') as scope:
      
        kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([3, 3, 384, 384],
                                                 dtype=tf.float32, stddev=0.1), name="weights")
        conv = tf.nn.conv2d(conv3, kernel, [1, 1, 1, 1], padding='SAME')
        biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[384], dtype=tf.float32),
                             trainable=True, name="biases")
        bias = tf.nn.bias_add(conv, biases)  # w*x+b
        conv4 = tf.nn.relu(bias, name=scope)  # reLu
        parameters += [kernel, biases]
        print_architecture(conv4)
 
    with tf.name_scope('conv5') as scope:
        kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([3, 3, 384, 256],
                                                 dtype=tf.float32, stddev=0.1), name="weights")
        conv = tf.nn.conv2d(conv4, kernel, [1, 1, 1, 1], padding='SAME')
        biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[256], dtype=tf.float32),
                             trainable=True, name="biases")
        bias = tf.nn.bias_add(conv, biases)  # w*x+b
        conv5 = tf.nn.relu(bias, name=scope)  # reLu
        pool5 = tf.nn.max_pool(conv5, ksize=[1, 3, 3, 1], strides=[1, 2, 2, 1],
                               padding="VALID", name="pool5")
        parameters += [kernel, biases]
        print_architecture(pool5)
 
    #全连接层6
    with tf.name_scope('fc6') as scope:
        kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([6*6*256,4096],
                                                 dtype=tf.float32, stddev=0.1), name="weights")
        biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[4096], dtype=tf.float32),
                             trainable=True, name="biases")
        # 输入数据变换
        flat = tf.reshape(pool5, [-1, 6*6*256] )  # 整形成m*n,列n为7*7*64
        # 进行全连接操作
        fc = tf.nn.relu(tf.matmul(flat, kernel) + biases,name='fc6')
        # 防止过拟合  nn.dropout
        fc6 = tf.nn.dropout(fc, keep_prob)
        parameters += [kernel, biases]
        print_architecture(fc6)
 
    # 全连接层7
    with tf.name_scope('fc7') as scope:
        kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([4096, 4096],
                                                 dtype=tf.float32, stddev=0.1), name="weights")
        biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[4096], dtype=tf.float32),
                             trainable=True, name="biases")
        # 进行全连接操作
        fc = tf.nn.relu(tf.matmul(fc6, kernel) + biases, name='fc7')
        # 防止过拟合  nn.dropout
        fc7 = tf.nn.dropout(fc, keep_prob)
        parameters += [kernel, biases]
        print_architecture(fc7)
 
    # 全连接层8
    with tf.name_scope('fc8') as scope:
        kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([4096, 1000],
                                                 dtype=tf.float32, stddev=0.1), name="weights")
        biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[1000], dtype=tf.float32),
                             trainable=True, name="biases")
        # 进行全连接操作
        fc8 = tf.nn.xw_plus_b(fc7, kernel, biases, name='fc8')
        parameters += [kernel, biases]
        print_architecture(fc8)
 
    return fc8,parameters
 
def time_compute(session,target,info_string):
    num_step_burn_in=10 
    total_duration=0.0   #总时间
    total_duration_squared=0.0
    for i in range(num_batch+num_step_burn_in):
        start_time=time.time()
        _ = session.run(target)
        duration= time.time() -start_time
        if i>= num_step_burn_in:
            if i%10==0: #每迭代10次显示一次duration
                print("%s: step %d,duration=%.5f "% (datetime.now(),i-num_step_burn_in,duration))
            total_duration += duration
            total_duration_squared += duration *duration
    time_mean=total_duration /num_batch
    time_variance=total_duration_squared / num_batch - time_mean*time_mean
    time_stddev=math.sqrt(time_variance)
    #迭代完成，输出
    print("%s: %s across %d steps,%.3f +/- %.3f sec per batch "%
              (datetime.now(),info_string,num_batch,time_mean,time_stddev))
 
def main():
    with tf.Graph().as_default():
        image_size =224
        images=tf.Variable(tf.random_normal([batch_size,image_size,image_size,3],
                                     dtype=tf.float32,stddev=0.1 ) )
        fc8,parameters=inference(images)
 
        init=tf.global_variables_initializer()
        sess=tf.Session()
        sess.run(init)
        time_compute(sess,target=fc8,info_string="Forward")
 
        obj=tf.nn.l2_loss(fc8)
        grad=tf.gradients(obj,parameters)
        time_compute(sess,grad,"Forward-backward")
if __name__=="__main__":
    main()

原数据集太大，随机生成图片进行测试。

参考文章1：深入理解AlexNet网络
 参考文章2：再谈AlexNet
参考文章3：CNN之AlexNet

卷积神经网络之AlexNet

AlexNet网络结构剖析

AlexNet的特点及其解释

AlexNet逻辑的TensorFlow实现

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