深度学习与图神经网络核心技术实践应用高级研修班-Day1典型深度神经网络模型

Posted 2021-09-08 ZSYL

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了深度学习与图神经网络核心技术实践应用高级研修班-Day1典型深度神经网络模型相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

典型深度神经网络模型

1. AlexNet模型
2. VGG(Visual Geometry Group)
3. ResNet
- 3.1 ResNet的诞生背景
4. GoogLeNet(Inception v1到v4)

1. AlexNet模型

AlexNet摘得了2010年ILSVRC比赛的桂冠，拥有6000万个参数和65万个神经元，并且花了五到六天的时间来训练两个GTX 580，8层的网络：5层卷积加3层全连接。全连接层6、7都是有4096个节点，最后一层有1000个节点。

1.1 AlexNet：网络结构

卷积层C1、C2处理流程是：卷积–>ReLU–>池化–>归一化。
卷积层C3、C4处理流程是：卷积–>ReLU
卷积层C5处理流程为：卷积–>ReLU–>池化
全连接层FC6、FC7流程为：全连接 -->ReLU -->Dropout
输出层：第七层输出的4096个数据与第八层的1000个神经元进行全连接

1.2 AlexNet：特点

特点：
(1) 采用很多有效的操作防止过拟合；
(2) 提出了局部响应规一化增强了模型的泛化能力；
(3) 两个GPU并行运算提高了准确度和速率；
(4) 使用Relu激活函数实现快速收敛；

特点1：防止过拟合

使用最大池化，避免平均池化的模糊化效果。重叠池化提升了特征的丰富性，在一定程度上避免过拟合。

特点2：局部响应归一化层

特点3：two-GPU训练

为什么多GPU模型并行技术可行？

1、CNN具有可并行特点

CNN参数是通过训练数据进行学习，并且由于同一特征映射面上的神经元权值相同（权值共享），所以网络可以并行学习。

2、随机梯度下降训练的数据并行特性

并行运算原理：

(1) 在GPU1、GPU2上分别定义模型参数变量，网络结构；

(2) 对于单独的GPU，分别从数据管道读取不同的数据块，然后进行前向传播计算出loss，再计算关于当前Variables的gradients；

(3) 把所有GPU输出的梯度数据转移到CPU上，先进行梯度取平均操作，然后进行模型参数的更新；

(4) 重复步骤(1)-(3)，直到模型参数收敛为止；

特点4：Relu激活函数

使用Relu的AlexNet能以6倍快的速度到达25%的训练错误率。

1.3 AlexNet: Dropout层

Dropout：在一次训练时的迭代中，对每一层中的神经元以概率P随机剔除，用余下的神经元所构成的网络来训练本次迭代中的数据，在下一次迭代中，又重新随机删除一些神经元。每次迭代更新子网络基本上不会重复，从而避免了某一个网络被过分的拟合到训练集上。

1.4 AlexNet：实验结果

2. VGG(Visual Geometry Group)

VGG探索了卷积神经网络的深度和其性能之间的关系，通过反复的堆叠 $3 * 3$ 的小型卷积核和2*2的最大池化层，成功的构建了16~19层深的卷积神经网络。

VGG获得了ILSVRC 2014年比赛的亚军和定位项目的冠军，在top5上的错误率为7.5%。

创新点：

(1) 使用了更小的3*3卷积核，和更深的网络，拥有更多的非线性变换，增加了CNN对特征的学习能力；

(2) 引入1*1的卷积核，在不影响输入输出维度的情况下，引入非线性变换，增加网络的表达能力，降低计算量；

(3) 先训练层数较浅的VGGA级网络，使用A网络的权重来初始化后面的复杂模型，加快训练的收敛速度；

(4) 小池化层带来的是更细节的信息捕获

2.1 VGG特点: 3*3卷积核

分析：如图，2个 $3 * 3$ 卷积核的堆叠相当于 $5 * 5$ 卷积核的视野，3个 $3 * 3$ 卷积核的堆叠相当于 $7 * 7$ 卷积核的视野。3个堆叠的 $3 * 3$ 结构只有 $7 * 7$ 结构参数数量的 $(3 * 3 * 3) / (7 * 7)$ =55%）55%。

结论：堆叠的小卷积核有更大的感受野，更少的参数去学习。

2.2 VGG特点: 1*1卷积核

分析：

假设，上一层的输出为100x100x128，经过具有256个通道的5x5卷积层之后(stride=1，pad=2)，输出数据为100x100x256，其中，卷积层的参数为128x5x5x256=819200。

而假如上一层输出先经过具有32个通道的1x1卷积层，再经过具有256个输出的5x5卷积层，那么输出数据仍为100x100x256，但卷积参数量已经减少为128x1x1x32 + 32x5x5x256= 204800，参数大约减少了4倍。

结论：1x1卷积的主要目的是为了减少维度，降低计算量。

2.3 VGG网络结构

3. ResNet

3.1 ResNet的诞生背景

Deep Residual Learning for Image Recognition

1、网络的深度为什么重要？

因为CNN能够提取low/mid/high-level的特征，网络的层数越多，意味着能够提取到不同level的特征越丰富。并且，越深的网络提取的特征越抽象，越具有语义信息。

2、为什么不能简单地增加网络层数？

对于原来的网络，如果简单地增加深度，会导致梯度弥散或梯度爆炸。

解决方法是增加正则化初始化和中间的正则化层（Batch Normalization）。

但是出现了退化问题：网络层数增加，但是在训练集上的准确率却饱和甚至下降了，说明了深度网络不能很简单地被很好地优化。

3、怎么解决退化问题？

推断退化问题可能是因为深层的网络并不是那么好训练，也就是求解器很难去利用多层网络拟合同等函数。

如果深层网络的后面那些层是恒等映射H(x) = x ，那么模型就退化为一个浅层网络，但是比较困难。

提出残差网络：H(x) = F(x) + x，可以转换为学习一个残差函数F(x) = H(x) – x，如果F(x)=0，就构成了一个恒等映射H(x) = x. 而且，拟合残差肯定更加容易。

这种残差学习结构可以通过前向神经网络+shortcut连接实现，如结构图所示。而且shortcut连接相当于简单执行了同等映射，不会产生额外的参数，也不会增加计算复杂度。

Shortcut 如图设置C=1-T。

作者由VGG19设计出了plain 网络和残差网络，如图中部和右侧网络。然后利用这两种网络进行实验对比:

4. GoogLeNet(Inception v1到v4)

获得ILSVRC14比赛的冠军，刷新了图像分类与检测的性能记录。该网络的特点是提升了计算资源的利用率，可以在保持网络计算资源不变的前提下，增加网络的宽度和深度。

Inception[V1]: Going Deeper with Convolutions
Inception[V2]: Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate Shift
Inception[V3]: Rethinking the Inception Architecture for Computer Vision
Inception[V4]: Inception-v4, Inception-ResNet and the Impact of Residual Connections on Learning

4.1 GoogleNet： Inception V1

通过设计一个稀疏网络结构，但是能够产生稠密的数据，既能增加神经网络表现，又能保证计算资源的使用效率。

谷歌提出了最原始Inception V1的基本结构：

4.2 GoogleNet： Inception V2

1、学习VGG：2个连续的3x3卷积层组成的小网络来代替单个的5x5卷积层。

2、Batch Normalization：代替Dropout 和 LRN，其正则化的效果让大型卷积网络的训练速度加快很多倍。

Batch Normalization ：
通过一定的规范化手段，把每层神经网络任意神经元输入值的分布强行拉回到均值为0方差为1的标准正态分布，这样使得激活输入值落在非线性函数对输入比较敏感的区域，让梯度变大，避免梯度消失问题产生，加快训练速度。

一次训练里面包含m个训练实例，BN操作就是对于隐层内每个神经元的激活值来说，某个神经元对应的原始的激活x通过减去mini-Batch内m个实例获得的m个激活x求得的均值E(x)并除以求得的方差Var(x)来进行转换.

Batch Normalization ：BN上述操作会导致网络表达能力下降，为了防止这一点，每个神经元增加两个调节参数（scale和shift），这两个参数是通过训练来学习到的，用来对变换后的激活反变换，使得网络表达能力增强，即对变换后的激活进行如下的scale和shift操作，这其实是变换的反操作：