经典深度学习框架

Posted 2022-01-05 三つ叶

2.1 LeNet

数据集：MNIST

• 50,000 个训练数据
• 10,000 个测试数据
• 图像大小 28 $\times$ 28
• 10 类

LeNet架构

第一层

第二层

第三层

总结

• LeNet 是早期成功的神经网络
• 先使用卷积层来学习图片空间信息
• 然后使用全连接层来转换到类别空间

2.2 AlexNet

数据集：ImageNet（2010）

数据集	ImageNet	MNIST
图片	自然物体的彩色图片	手写数字的黑白图片
大小	469 $\times$ 387	28 $\times$ 28
样本数	1.2M	60K
类数	1000	10

AlexNet 架构

AlexNet 赢得了 2012 年 ImageNet 竞赛，重新让深度学习回到人们视野，从某种程度上来说是对 LeNet的拓展，相比于之前流行的 SVM 方法采用人工特征提取，AlexNet 通过 CNN 学习特征，然后进行 Softmax 回归进行分类。当然让深度学习重新回到视野，离不开数据量的提升以及计算机性能的提高。

如图所示在第一层，AlexNet 采用了更大的核窗口和步长，因为图片更大了。同时使用了更大的池化窗口，并且采用最大池化。用了更大的输出通道（96），希望提取更多的特征信息。

Dense 层，即稠密层也即全连接层。因为 ImageNet 最后要做 1000 分类，显然隐藏层要设的比 1000 大点，这里设置的是 4096.

更多细节

• 激活函数从 sigmoid 变到了 ReLu （减缓梯度消失）
• 隐藏全连接层后加入了丢弃层
• 数据增强

总结

• AlexNet 是更大更深的 LeNet，10$\times$ 参数个数，260$\times$ 计算复杂度

pytorch 的 torchvision中 的 Alexnet：https://github.com/pytorch/vision/blob/main/torchvision/models/alexnet.py （pytorch 中的代码参考的并非是 AlexNet 的原论文，而是这篇论文）

关于 pytorch 中的 AlexNet 的使用可以参考官方说明： https://pytorch.org/hub/pytorch_vision_alexnet/ 输入图像需要是 3 $\times$ 224 $\times$ 224 这样

2.3 VGG —— 使用“块”的网络

VGG 块

• 3 $\times$ 3 卷积（填充1）若干
• 2 $\times$ 2 最大池化层（步幅2）

VGG 架构

• 多个 VGG 块后接全连接层
• 不同次数的重复块得到不同的架构 VGG-16，VGG-19，…

总结

• VGG 使用可重复使用的卷积块来构建深度卷积神经网络
• 不同的卷积块个数和超参数可以得到不同复杂度的变种

VGG pytorch官方说明：vgg-nets | PyTorch

VGG pytorch源码：https://github.com/pytorch/vision/blob/main/torchvision/models/vgg.py

读源码的过程中有个地方需要注意一下，即传参和返回参数规定类型（第一次看看晕了），具体可以参考一下python>=3.5之奇葩from typing import Union_浪ふ沏沙的博客-CSDN博客_typing.union

怎么判断 VGG 多少，比如为什么是 VGG16？

卷积层和全连接层具有权重系数，因此也被称为权重层，总数目为13+3=16(池化层不涉及权重，因此不属于权重层，不被计数)

2.4 NiN

全连接层的问题

• 参数过多，尤其是卷积层过后的第一个全连接层
• 容易过拟合

NiN 块

• 一个卷积层后跟两个全连接层（1 $\times$ 1 卷积，起到全连接的作用）

1 $\times$ 1 卷积

以上图为例，当 kernel_size 为 1 时，卷积已经不再具有空间性质，所以我们不妨将其拉直看，如若三个通道，则不妨令输入通道为 $a_1,a_2,...a_n$, $b_1,b_2,...b_n$, $c_1,c_2,...c_n$. 令对应的三个kernel值为 $w_1,w_2,w_3$. 则假设经过卷积操作得到为$d_1,d_2,...d_n$, 则有
$$d_i=a_i\ast w_1+b_i\ast w_2+c_i\ast w_3$$
这其实就是全连接层的操作嘛，所以我们完全可以将 $1\times 1$ 的卷积操作看作是参数共享的全连接层

NiN 架构

• 无全连接层
• 交替使用 NiN 块和步幅为 2 的最大池化层
  • 逐步减小高宽和增大通道数
• 最后使用全局平均池化层得到输出
  • 其输入通道数是类别数

相关代码部分可以参考：nin slides (d2l.ai)

2.5 GoogLeNet

Inception

Inception 不改变图片的大小

GoogLeNet 架构

Inception 有各种后续变种

• Inception-BN(v2) - 使用 batch normalization
• Inception-V3 - 修改了 Inception 块
  • 替换 $5\times 5$ 为多个 $3\times 3$ 卷积层
  • 替换 $5\times 5$ 为 $1\times 7$ 和 $7\times 7$ 卷积层
  • 替换 $3\times 3$ 为 $1\times 3$ 和 $3\times 3$ 卷积层
• Inception-V4 - 使用残差连接

总结

• Inception 块用 4 条不同超参数的卷积层和池化层的路来抽取不同的信息
• 它的一个主要优点是模型参数小，计算复杂度低
• GoogLeNet 使用了 9 个 Inception 块，是第一个达到上白层的网络
• 后续有一系列改进

2.6 ResNet

残差块

这里$1\times 1$的卷积可以实现改变通道个数，从而可以实现相加操作

ResNet 块

• 高宽减半 ResNet 块（步幅2）
• 后接多个高宽不变的 ResNet 块

ResNet 架构

• 类似 VGG 和 GoogLeNet 的总体架构
• 但替换成了 ResNet 块

总结

• 残差块使得很深的网络更加容易训练，甚至可以训练一千层
• 残差网络对随后的深层神经网络设计产生了深远影响，无论是卷积类网络还是全连接类网络

pytorch 实现源码：https://github.com/pytorch/vision/blob/main/torchvision/models/resnet.py