AlexNet神经网络结构

Alexnet是2014年Imagenet竞赛的冠军模型，准确率达到了57.1%, top-5识别率达到80.2%。

AlexNet包含5个卷积层和3个全连接层，模型示意图：

精简版结构：

conv1阶段

输入数据：227×227×3

卷积核：11×11×3；步长：4；数量（也就是输出个数）：96

卷积后数据：55×55×96  （原图N×N，卷积核大小n×n，卷积步长大于1为k，输出维度是(N-n)/k+1）

relu1后的数据：55×55×96

Max pool1的核：3×3，步长：2

Max pool1后的数据：27×27×96

norm1：local_size=5  （LRN(Local Response Normalization） 局部响应归一化）

最后的输出：27×27×96

AlexNet采用了Relu激活函数，取代了之前经常使用的S函数和T函数，Relu函数也很简单：

ReLU(x) = max(x,0)


AlexNet另一个创新是LRN(Local Response Normalization） 局部响应归一化，LRN模拟神经生物学上一个叫做 侧抑制（lateral inhibitio）的功能，侧抑制指的是被激活的神经元会抑制相邻的神经元。LRN局部响应归一化借鉴侧抑制的思想实现局部抑制，使得响应比较大的值相对更大，提高了模型的泛化能力。
LRN只对数据相邻区域做归一化处理，不改变数据的大小和维度。

LRN概念是在AlexNet模型中首次提出，在GoogLenet中也有应用，但是LRN的实际作用存在争议，如在2015年Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition 论文中指出LRN基本没什么用。

AlexNet还应用了Overlapping（重叠池化），重叠池化就是池化操作在部分像素上有重合。池化核大小是n×n，步长是k，如果k=n，则是正常池化，如果 k<n, 则是重叠池化。官方文档中说明，重叠池化的运用减少了top-5和top-1错误率的0.4%和0.3%。重叠池化有避免过拟合的作用。

conv2阶段

输入数据：27×27×96

卷积核：5×5；步长：1；数量（也就是输出个数）：256

卷积后数据：27×27×256  （做了Same padding（相同补白），使得卷积后图像大小不变。）

relu2后的数据：27×27×256

Max pool2的核：3×3，步长：2

Max pool2后的数据：13×13×256   （（27-3）/2+1=13 ）

norm2：local_size=5  （LRN(Local Response Normalization） 局部响应归一化）

最后的输出：13×13×256

在AlexNet的conv2中使用了same padding，保持了卷积后图像的宽高不缩小。

conv3阶段

输入数据：13×13×256

卷积核：3×3；步长：1；数量（也就是输出个数）：384

卷积后数据：13×13×384  （做了Same padding（相同补白），使得卷积后图像大小不变。）

relu3后的数据：13×13×384

最后的输出：13×13×384

conv3层没有Max pool层和norm层

conv4阶段

输入数据：13×13×384

卷积核：3×3；步长：1；数量（也就是输出个数）：384

卷积后数据：13×13×384  （做了Same padding（相同补白），使得卷积后图像大小不变。）

relu4后的数据：13×13×384

最后的输出：13×13×384

conv4层也没有Max pool层和norm层

conv5阶段

输入数据：13×13×384

卷积核：3×3；步长：1；数量（也就是输出个数）：256

卷积后数据：13×13×256  （做了Same padding（相同补白），使得卷积后图像大小不变。）

relu5后的数据：13×13×256

Max pool5的核：3×3，步长：2

Max pool2后的数据：6×6×256   （（13-3）/2+1=6 ）

最后的输出：6×6×256

conv5层有Max pool，没有norm层

fc6阶段

输入数据：6×6×256

全连接输出：4096×1

relu6后的数据：4096×1

drop out6后数据：4096×1

最后的输出：4096×1

AlexNet在fc6全连接层引入了drop out的功能。dropout是指在深度学习网络的训练过程中，对于神经网络单元，按照一定的概率（一般是50%，这种情况下随机生成的网络结构最多）将其暂时从网络中丢弃（保留其权值），不再对前向和反向传输的数据响应。注意是暂时，对于随机梯度下降来说，由于是随机丢弃，故而相当于每一个mini-batch都在训练不同的网络，drop out可以有效防止模型过拟合，让网络泛化能力更强，同时由于减少了网络复杂度，加快了运算速度。还有一种观点认为drop
out有效的原因是对样本增加来噪声，变相增加了训练样本。

fc7阶段

输入数据：4096×1

全连接输出：4096×1

relu7后的数据：4096×1

drop out7后数据：4096×1

最后的输出：4096×1

fc8阶段

输入数据：4096×1

全连接输出：1000

fc8输出一千种分类的概率。

AlexNet与在其之前的神经网络相比改进：

1. 数据增广（Data Augmentation增强）

常用的数据增强的方法有 水平翻转、随机裁剪、平移变换、颜色、光照、对比度变换

2. Dropout

有效防止过拟合。

3. Relu激活函数

用ReLU代替了传统的S或者T激活函数。

4. Local Response Normalization 局部响应归一化

参考了生物学上神经网络的侧抑制的功能，做了临近数据归一化，提高来模型的泛化能力，这一功能的作用有争议。

5. Overlapping Pooling 重叠池化

重叠池化减少了系统的过拟合，减少了top-5和top-1错误率的0.4%和0.3%。

6. 多GPU并行训练

AlexNet将网络分成了上下两部分，两部分的结构完全一致，这两部分由两块不同的GPU来训练，提高了训练速度。AlexNet大约有6000万个参数。