CV开山之作：《AlexNet》深度学习图像分类经典论文总结学习笔记（原文＋总结）

Posted 2023-03-04 耿鬼喝椰汁

  本文将为大家总结经典CV神经网络的开山力作——AlexNet（ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks）

论文原文：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3065386

目录

深度学习论文总结

前言

一.Abstract-摘要

二.Introduce-介绍

三.The Dataset-数据集

四.The Architecture-网络结构

五.Reducing Overfitting-减少过拟合

六.Qualitative Evaluations-定性评估

总结

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前言

为此文章为深度学习在计算机视觉领域的开山之作AlexNet，也是非常适合深度学习领域的小白观看的经典论文，本文为在学习论文期间的论文总结，也算是学习笔记，希望能帮助到大家，有不足地方还希望大家谅解，以后会给大家带来更高质量的学习论文笔记总结。

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一.Abstract-摘要

摘要中主要提到这三件事:  ①AlexNet的结构; 

                                           ②AlexNet使用的非饱和(non-saturating)神经元(ReLU)和GPU的合理使用加快了训练;   

                                           ③防止过拟合的方式:dropout。

二.Introduce-介绍

      当前的复杂的图像识别任务需要更大的数据集，ImageNet图像的数量还不够，还得对图像进行处理后得到新图像来扩大数据集。CNN是用于图像的效果比较好的神经网络，且比起传统的feedforward neuralnetwork，它所需的参数更少，且效果不差。

      AlexNet作者认为本文的贡献有:①提出一些技巧加快了训练;

                                                        ②由于网络过大，提出了防止过拟合的一些技巧;

                                                        ③AlexNet的网络层数是很好的，去掉任何一层都会使性能下降。

三.The Dataset-数据集

     本文采用数据集：ImageNet。有很多图就对了。由于每张图的大小不一样，作者要统一裁剪成256 x256的图片 。

     剪裁方法：先对原始图片进行缩放，使得图片较短的一边长度是256，另一个长边在这一步操作中也会根据长宽比进行调整，然后从图片中心对长边进行两侧的裁剪，最终得到256*256的尺寸大小的图片。

四.The Architecture-网络结构

网络结构主要包含以下几个关键点：

1.ReLU函数：作者将修正线性单元（ReLU，为非饱和非线性激活函数）用在了模型里，发现训练速度显著提高，原因在于原来所使用的传统函数为饱和非线性激活函数：sigmoid和tanh，这两个激活函数都是saturating（饱和非线性）的，会把两边的梯度压成0，而对于ReLU，它是non-saturating（非饱和非线性）的，只要input是正的，就不会发生这种情况。从而使用ReLU函数可以加快训练速度，克服梯度消失的问题。

    

上图为作者使用tanh和ReLU训练模型的结果，可以清晰看出在相同性能的情况下，ReLU只需5个epoch就能实现，而tanh则需要36个epoch。

2.用多个GPU进行训练：因为当时的GPU内存还不够大，限制了训练网络的最大大小，且实验使用的训练样本任务对于一个GPU来说太大了。

           因此作者提出创新方法：把网络存在两个GPU里，有的层需要跨GPU计算，有的不需要。这里就不具体展开了。

           使用多个GPU后带来的好处：① 错误率下降了：与在一个GPU上训练的网络相比，这种组合让本文的top-1和top-5错误率分别下降了1.7%和1.2%。
                                                           ②训练时间更少：本文的两个GPU网络训练花费的时间比一个GPU的时间要少。

3.局部响应归一化（Local Response Normalization）：对于sigmoid和tanh，为了防止input值过大或过小导致梯度变为0，就需要对input做normalization把input变为zero-centered;而对于ReLU则不需要，因为只要input是正的，梯度就不会为0。但文章还是提出了在ReLu层之前应用了一种新的normalization的方式:局部响应归一化（Local Response Normalization），定义为：

使用局部响应归一化后带来的好处：①错误率降低了，Top-1和Top-5错误率分别降低了1.4%和1.2%。

                                                           ②在CIFAR-10数据集上验证了该方案的有效性：一个四层的CNN 在没有归一化的情况下测试错误率为13%，在加入了归一化后测试错误率为11%。

实验证明这样操作让准确度提高了。(现在基本没人用这个了)

4.重叠池化（Overlapping Pooling）：传统的池化层的卷积核的步长应等于核的宽，而作者改进后选取了小于核的宽的步长。

  使用重叠池化后带来的好处：①错误率降低了，与非重叠方案 比，该方案的top-1和top-5错误率分别降低了0.4%和0.3%。

                                                  ②在训练过程中观察到，使用重叠池的模型发现过度拟合的差异变大。

（对传统的用Pooling的方法做了一定的改动，改动不大，但效果很好）

5.整体架构（Overlapping Pooling）

 这里最初的输入图像大小是224x224x3是因为经过裁剪了。网络结构采用两个GPU，所以结构一分为2，整个结构分为八层，每一层都使用了ReLu函数，而局部响应归一化运用到了第一层和第二层，前面五层均为卷积层，注意第1，2，4，5层的卷积是只在各自的GPU上做的。后面三层为全连接层，最后为softmax。

五.Reducing Overfitting-减少过拟合

（接下来文章讲为了防止过拟合的几个技巧）

1.数据增强（Data Augmentation）其实就是把原有图像经过处理后来人为扩充数据集。比如:（1）裁剪图像后水平翻转(论文里是裁了大小为224x224 x 3的图)。在测试的时候预测图像属于的类的方式是:分别裁剪图像的四个角落与中心的大小为224 x 224 x3的图，并且水平翻转，从而得到10个inputs。然后将10个softmax的outputs的值求平均，得到最终分类结果。（2）改变图像RGB每个通道的灰度值。

2.Dropout： 普通的dropout。想法就是将dropout看作一种集成(ensemble)的算法，集成了多个模型训练，防止了过拟合。现在大家认为它就是一个正则项。

六.Qualitative Evaluations-定性评估

 最主要是右边的图。作者把倒数第二层的向量拿出来，进行计算，从而得到相近的图片，这表明神经网络有效地提取了图像特征。

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总结

1.本论文利用深度神经网络，来进行图片分类。而且取得了十分不错的效果。（用的数据集是ImageNet）

2.作者解决关键：（1）把网络存在两个GPU里，有的层需要跨GPU计算，有的不需要。（2）AlexNet使用的非饱和(non-saturating)神经元(ReLU)和GPU的合理使用加快了训练。用ReLU可以加快训练速度。（3）dropout可以有效减少过拟合。（4）整体架构：前面五层均为卷积层，注意第1，2，4，5层的卷积是只在各自的GPU上做的。后面三层为全连接层，最后为softmax。（4）数据集：ImageNet。（6）.overlapping pooling（重叠池）：一般来说两个Pooling是不会重叠的，但我现在要重叠。（对传统的用Pooling的方法做了一定的改动，改动不大，但效果很好）

3.论文贡献：推广了SGD算法，在此之后，SGD基本上在机器学习界成为了最主流的一个优化算法。

4.补充：训练使用模型：用SGD（随机梯度下降法）来训练模型，我们的权重用的是均值为0方差为0.01的高斯随机变量来初始化的，在第二层，第四层和第五层的卷积层把偏移量初始化成1，剩下的全部初始化为0，全连接层也都初始化为1。每一层用一个同样的学习率，我们的学习率是从0.01开始的，如果验证误差不往下降了，就将学习率手动降低十倍。