经典卷积神经网络 之 AlexNet

Posted 2022-11-28 ZealCV

AlexNet

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时间：

2012年

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出处：

ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks

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AlexNet可以说是现代深度CNN的奠基之作，揭开了深度学习的热潮。2012年，Hinton的学生Alex Krizhevsky在寝室用GPU死磕了一个Deep Learning模型，一举摘下了视觉领域竞赛ILSVRC 桂冠，在百万量级的ImageNet数据集合上，效果大幅度超过传统的方法，从传统的70%多提升到80%多。这个Deep Learning模型就是后来大名鼎鼎的AlexNet模型。

AlexNet为何能耐如此之大？有三个很重要的原因：

(1)大量数据，Deep Learning领域应该感谢李飞飞团队搞出来如此大的标注数据集合ImageNet；
(2)GPU，这种高度并行的计算神器确实助了洪荒之力，没有神器在手，Alex估计不敢搞太复杂的模型；
(3)算法的改进，包括网络变深、数据增强、ReLU、Dropout等

AlexNet包含了6亿3000万个连接，6000万个参数和65万个神经元，拥有5个卷积层，其中3个卷积层后面连接了最大池化层，最后还有3个全连接层。AlexNet以显著的优势赢得了竞争激烈的ILSVRC 2012比赛，top-5的错误率降低至了16.4%，相比第二名的成绩26.2%错误率有了巨大的提升。

AlexNet可以说是神经网络在低谷期后的第一次发声，确立了深度学习（深度卷积网络）在计算机视觉的统治地位，同时也推动了深度学习在语音识别、自然语言处理、强化学习等领域的拓展。

AlexNet将LeNet的思想发扬光大，把CNN的基本原理应用到了很深很宽的网络中。网络架构如下图：

换个角度：

AlexNet的特点：

(1)成功使用ReLU作为CNN的激活函数，并验证其效果在较深的网络超过了Sigmoid，成功解决了Sigmoid在网络较深时的梯度弥散问题，此外，加快了训练速度，因为训练网络使用梯度下降法，非饱和的非线性函数训练速度快于饱和的非线性函数。。虽然ReLU激活函数在很久之前就被提出了，但是直到AlexNet的出现才将其发扬光大。

(2)训练时使用Dropout随机忽略一部分神经元，以避免模型过拟合。Dropout虽有单独的论文论述，但是AlexNet将其实用化，通过实践证实了它的效果。在AlexNet中主要是最后几个全连接层使用了Dropout。

(3)在CNN中使用重叠的最大池化。此前CNN中普遍使用平均池化，AlexNet全部使用最大池化，避免平均池化的模糊化效果。并且AlexNet中提出让步长比池化核的尺寸小，这样池化层的输出之间会有重叠和覆盖，提升了特征的丰富性。

(4)提出了LRN层，对局部神经元的活动创建竞争机制，使得其中响应比较大的值变得相对更大，并抑制其他反馈较小的神经元，增强了模型的泛化能力。

(5)使用CUDA加速深度卷积网络的训练，利用GPU强大的并行计算能力，处理神经网络训练时大量的矩阵运算。AlexNet使用了两块GTX?580?GPU进行训练，单个GTX?580只有3GB显存，这限制了可训练的网络的最大规模。因此作者将AlexNet分布在两个GPU上，在每个GPU的显存中储存一半的神经元的参数。

(6)数据增强，随机地从256*256的原始图像中截取224*224大小的区域（以及水平翻转的镜像），相当于增加了(256224)2*2=2048倍的数据量。如果没有数据增强，仅靠原始的数据量，参数众多的CNN会陷入过拟合中，使用了数据增强后可以大大减轻过拟合，提升泛化能力。进行预测时，则是取图片的四个角加中间共5个位置，并进行左右翻转，一共获得10张图片，对他们进行预测并对10次结果求均值。

整个AlexNet有8个需要训练参数的层（不包括池化层和LRN层），前5层为卷积层，后3层为全连接层，如上图所示。AlexNet最后一层是有1000类输出的Softmax层用作分类。LRN层出现在第1个及第2个卷积层后，而最大池化层出现在两个LRN层及最后一个卷积层后。各层参数计算如下：

我们可以发现一个现象，在前几个卷积层，虽然计算量很大，但参数量很小，都在1M左右甚至更小，只占AlexNet总参数量的很小一部分。这就是卷积层有用的地方，可以通过较小的参数量提取有效的特征。虽然每一个卷积层占整个网络的参数量的1%都不到，但是如果去掉任何一个卷积层，都会使网络的分类性能大幅地下降。

AlexNet相比传统的CNN（比如LeNet）有哪些重要改动呢：
(1) Data Augmentation（数据增强）
常用的数据增强方法有：

水平翻转Flip

随机裁剪、平移变换Crops/Scales

颜色、光照变换Jittering

(2) Dropout
Dropout方法和数据增强一样，都是防止过拟合的。Dropout应该算是AlexNet中一个很大的创新，以至于Hinton在后来很长一段时间里的Talk都拿Dropout说事，后来还出来了一些变种，比如DropConnect等。

(3) ReLU激活函数
用ReLU代替了传统的Tanh或者Logistic。
好处有：
ReLU本质上是分段线性模型，前向计算非常简单，无需指数之类操作；
ReLU的偏导也很简单，反向传播梯度，无需指数或者除法之类操作；
ReLU不容易发生梯度发散问题，Tanh和Logistic激活函数在两端的时候导数容易趋近于零，多级连乘后梯度更加约等于0；
ReLU关闭了右边，从而会使得很多的隐层输出为0，即网络变得稀疏，起到了类似L1的正则化作用，可以在一定程度上缓解过拟合。
当然，ReLU也是有缺点的，比如左边全部关了很容易导致某些隐藏节点永无翻身之日，所以后来又出现pReLU、random ReLU等改进，而且ReLU会很容易改变数据的分布，因此ReLU后加Batch Normalization也是常用的改进的方法。

(4) Local Response Normalization
Local Response Normalization要硬翻译的话是局部响应归一化，简称LRN，实际就是利用临近的数据做归一化。这个策略贡献了1.2%的Top-5错误率。

(5) Overlapping Pooling
Overlapping的意思是有重叠，即Pooling的步长比Pooling Kernel的对应边要小。这个策略贡献了0.3%的Top-5错误率。