经典卷积神经网络简介之【AlexNet】

Posted 2023-03-14

参考技术A

论文中转 ： ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks

自Le Net-5在1998年提出以后，时隔14年，AlexNet横空问世，在2012年ImageNet竞赛中以冠军的成绩笑傲群雄，也就是从那时起，更多更优秀的网络被相继提出。论文第一作者是来自多伦多大学的Alex Krizhevsky，因此网络称为Alex Net。

在论文中，作者训练了一个大而深（相比于之前）的卷积网络用于ImageNet比赛，将120万高分辨图像分为1000个类别。在测试集上，分别达到了37.5%的top-1错误率和17.0%的top-5错误率，超越了先前最好的网络。网络共有600万参数，65万个神经元，5个卷积层加3个全连接层，输出为1000类别。为了防止过拟合，作者采用了数据扩充和dropout正则法，实验结果表明此方法非常有效；为了加快训练速度，作者采用了两块并行的GPU同时对特征图进行运算。

由于采用了双GPU模式，所以结构图呈现的是上图的样子，下面引用一张博客作者 chenyuping666 文章的图片，可以详细的了解网络内部结构与实现细节。

从上图可以看到，输入为227×227×3的图像

在conv1中 ，卷积核大小为11×11，步长为4，通道数为96（每台GPU运算48个，下同），经过激活函数Relu激活后，采用最大池化（size=3×3，stride=2），标准化，输出为27×27×96。

在conv2中 ，卷积核大小为5×5，步长为1，通道数256，先对输入特征图扩展像素为31×31（pad=2），然后卷积，激活，池化（size=3×3，stride=2），标准化，输出特征图为13×13×256。

在conv3,conv4中 ，卷积核大小都为3×3，步长为1，pad=1，通道数为384，经过激活后输出特征图为13×13×384。

在conv5中 ，卷积核大小都为3×3，步长为1，通道数为256，经过激活，池化后输出特征图为6×6×256。

在fcn6,fcn7中 ，共有4096个神经元，采用了dropout技术防止过拟合。

在fcn8 ，也就是最后一层，采用softmax输出1000个类别。

相比于之前的网络，AlexNet为何能取得比较好的结果呢，从作者的论文中可以发现以下几点：

3.1 非线性激活函数Relu
在之前一般使用tanh(x)或sigmoid作为激活函数，但这些饱和的线性函数在梯度的计算上非常缓慢，并且容易产生梯度消失问题。Relu的出现使这些问题得到了有效的解决。在基于cifar-10数据集的标准四层网络测试中，采用tanh和Relu作为激活函数使error rate达到0.25所用的时间，Relu比tanh快大约6倍。

3.2 多个GPU
作者认为计算资源的大小限制了网络的大小，要想训练大的网络结构，必须拥有足够的计算资源。120万的数据集太大以至于单个GPU不足以匹配，因此作者将网络的计算任务分配到两个GPU上执行。目前GPU特别适合做并行化，因为一个GPU可以直接从另一个GPU读和写内容，而不需要经过主机内存。

3.3 局部响应归一化（LRN）
作者在文章中提出了Local Response Normalization的方法，分别将top-1和top-5错误率降低了1.4%和1.2%。作者在文中提到，如果训练样本产生一个正输入到Relu，网络只会在那个特定神经元上学习，但是引入局部响应正则化后，提高了网络的泛化能力。这种响应归一化会产生一种由某一神经元所激发的横向抑制，为由使用不同卷积核计算的神经元输出之中的“big activities”创造竞争。

3.4 重叠池化
一般的池化操作因为没有重叠，所以pool_size 和 stride是相等的。例如6×6的图像在size=2×2的池化后，输出为3×3，但是本文使用的size<stride，即取步长为1，输出为4×4大小的图像。这一方案分别使top-1和top-5错误率降低了0.4%和0.3%。