【DeepLearning】AlexNet

在前文中，我们介绍了LeNet的相关细节，它是由两个卷积层、两个池化层以及两个全链接层组成。卷积都是5*5的模板，stride =1，池化为MAX。整体来说它有三大特点：局部感受野，权值共享和池化。2012年ALex发布了AlexNet，他比LeNet5更深，而且可以学习更复杂的图像高维特征。接下来，我们就将一起学习AlexNet模型。

论文原文： ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks

论文翻译：AlexNet论文翻译——中文版

## AlexNet模型的trick

AlexNet之所以能够成功，跟这个模型设计的特点有关，主要有：

• 使用了非线性激活函数：ReLU
• 重叠池化
• 防止过拟合的方法：Dropout，数据扩充（Data augmentation）
• 多GPU训练
• LRN局部归一化

【ReLU激活函数】

通俗上讲，激励函数的作用就是将多个线性输入转换为非线性的关系。通过激励函数引入非线性因素后，使神经网络的表示能力更强了。在前人的模型中，常常使用Sigmoid或tanh等非线性函数作为激活函数，然而他们容易出现梯度弥散或梯度爆炸的问题。

　　ReLU是修正线性单元（The Rectified Linear Unit）的简称，其函数图像如下，该函数的公式为：f(x)=max(0,x)，当输入信号<0时，输出都是0，当输入信号>0时，输出等于输入，如下图所示：

　　运用ReLU函数可以有效的缓解梯度弥散的问题，相对于sigmoid和tanh激励函数，对ReLU求梯度非常简单，计算也很简单，可以非常大程度地提升随机梯度下降的收敛速度。实验结果表明，要将深度网络训练至training error rate达到25%的话，ReLU只需5个epochs的迭代，但tanh单元需要35个epochs的迭代，用ReLU比tanh快6倍。

 【重叠的最大池化】

　　在LeNet中，池化使不重复的，池化的窗口大小与步长相等，大小直接减半。但在AlexNet中使用的池化（Pooling）却是可重叠的，也就是说，在池化的时候，每次移动的步长小于池化的窗口长度。AlexNet池化的大小为3×3的正方形，每次池化移动步长为2，这样就会出现重叠。重叠池化可以避免过拟合。

　　此外，此前CNN中普遍使用平均池化，AlexNet全部使用最大池化，避免平均池化的模糊化效果。

【避免过拟合——数据扩充】

　　数据量的增加可以有效的提升算法的准确度，避免过拟合；也可以适应更大更深的网络结构。而AlexNet在训练时，就按照下述的方法进行数据扩充：

（1）随机裁剪，对256×256的图片进行随机裁剪到224×224，然后进行水平翻转，相当于将样本数量增加了（（256-224+1）^2）×2倍；(感谢 路人丙二十六 的指正)在测试的时候，对左上、右上、左下、右下、中间分别做了5次裁剪，然后翻转，共10个裁剪，之后对结果求平均。

（2）对RGB空间做PCA（主成分分析），然后对主成分做一个（0, 0.1）的高斯扰动，也就是对颜色、光照作变换，结果使错误率又下降了1%。

【避免过拟合——Dropout】

　　一般而言，解决的过拟合主要方法有：增加训练数据量、减少模型的复杂度、添加正则项等。在深度学习中，以上方法都可以使用，但是dropout是一个更加高效、简单的防止过拟合的方法。

　　dropout是指在深度学习网络的训练过程中，对于神经网络单元，按照一定的概率将其暂时从网络中丢弃。Dropout也可以看成是一种模型组合，每次生成的网络结构都不一样，通过组合多个模型的方式能够有效地减少过拟合。

　　但值得注意的是，dropout对于具有大量参数的全连接效果最好，而且一般人为设置为0.5或者0.3（链接讲不同层代码试验），而在卷积隐藏层由于卷积自身的稀疏化以及稀疏化的ReLu函数的大量使用等原因，Dropout策略在卷积隐藏层中使用较少。

【局部响应归一化（Local Response Normalization，简称LRN）】

　　LRN是借鉴生物学中“侧抑制”的思想来实现局部抑制，尤其对于RELU函数，这样的侧抑制是很管用的，因为RELU是无界的，这样的归一化有助于增强泛化能力，LRN的公式如下，核心思想就是利用邻近的数据进行归一化。

【多GPU训练】

　　AlexNet当时使用了GTX580的GPU进行训练，由于单个GTX 580 GPU只有3GB内存，这限制了在其上训练的网络的最大规模，因此他们在每个GPU中放置一半核（或神经元），将网络分布在两个GPU上进行并行计算，大大加快了AlexNet的训练速度。

## 整体架构

　　整体架构是本文的精髓，废话不多说，直接莽。

总体概述如下：

　　AlexNet网络结构共有8层，前面5层是卷积层，后面3层是全连接层，最后一个全连接层的输出传递给一个1000路的softmax层，对应1000个类标签的分布。

　　由于AlexNet采用了两个GPU进行训练，因此，该网络结构图由上下两部分组成，一个GPU运行图上方的层，另一个运行图下方的层，两个GPU只在特定的层通信。例如第二、四、五层卷积层的核只和同一个GPU上的前一层的核特征图相连，第三层卷积层和第二层所有的核特征图相连接，全连接层中的神经元和前一层中的所有神经元相连接。

　　卷积核大小数量、trick的使用情况如下：

• conv1: 96@11*11*3
• conv2: 256@5*5*48
• conv3: 384@3*3*256
• conv4: 384@3*3*192
• conv5: 256@3*3*192
• ReLU、双GPU运算：提高训练速度。（应用于所有卷积层和全连接层）
• 重叠pool池化层：提高精度，不容易产生过度拟合。（应用在第一层，第二层，第五层后面）
• 局部响应归一化层(LRN)：增强泛化能力。（应用在第一层和第二层后面）
• Dropout：减少过度拟合。（应用在前两个全连接层）

接下来就逐层解释AlexNet的结构：

【第一层 conv1】

1. 卷积

　　 第一层输入数据为原始的227×227×3的图像，在本层中被96个11×11×3的卷积核进行卷积运算。由于采用两个GPU并行运算，因此上下两部分分别承担48个卷积核的运算。卷积核移动的步长是4个像素，no-padding。因此，conv1输出的每一个特征图有(227-11)/4+1=55个像素，一共96层。

2. ReLU

　　卷积后的55×55像素层经过ReLU单元的处理，生成激活像素层，尺寸仍为2组55×55×48的像素层数据。

3. Pooling

　　池化层的核尺寸为3×3，步长为2，故池化后的规模为 (55-3)/2+1=27，即池化后像素的规模为27×27×96。

4. 归一化（LRN）

　　池化后的像素层再进行归一化处理，归一化运算的尺寸为5×5，归一化后的像素规模不变，仍为27×27×96，这96层像素层被分为两组，每组48个像素层，分别在两个独立的GPU上进行运算。

 【第二层 conv2】

　　该层与第一层类似，处理流程为：卷积-->ReLU-->池化-->归一化

1. 卷积

　　 第二层的输入数据为第一层输出的27×27×96的像素层，padding =2 。第二层的卷积核大小为5×5，移动步长为1个像素，经卷积核计算后的像素层大小变为 (27+2+2-5)/1+1=27，即卷积后大小为27×27。本层使用了256个5×5×48的卷积核，同样也是被分成两组，每组为128个，分给两个GPU进行卷积运算，结果生成两组27×27×128个卷积后的像素层。

2. ReLU

　　卷积后的27×27像素层经过ReLU单元的处理，生成激活像素层，尺寸仍为2组27×27×128的像素层数据。

3. Pooling

　　池化层的核尺寸为3×3，步长为2，故池化后的规模为 (27-3)/2+1=13，即池化后像素的规模为13×13×128。

4. 归一化（LRN）

　　池化后的像素层再进行归一化处理，归一化运算的尺寸为5×5，归一化后的像素层的规模为2组13×13×128的像素层，分别由2个GPU进行运算。

【第三层 conv3】

　　第三层的处理流程是：卷积-->ReLU

1. 卷积

　　第三层输入数据为第二层输出的2组13×13×128的像素层，padding=1。使用192个3×3×256的卷积核，对两组像素层的所有数据进行卷积运算，卷积的步长为1，经过卷积运算后的尺寸为(13+1+1-3)/1+1=13，即每个GPU中共13×13×192个卷积核，2个GPU生成13×13×384的像素层。

2. ReLU

　　卷积后的像素层经过ReLU单元的处理，生成激活像素层，尺寸仍为2组13×13×192的像素层，分配给两组GPU处理。

【第四层 conv4】

　　与第三层类似，第四层的处理流程是：卷积-->ReLU

1. 卷积

　　第四层输入数据为第三层输出的2组13×13×192的像素层，padding=1。每个CPU使用192个3×3×192的卷积核，在该层中没有GPU之间的通信，卷积的步长为1，经过卷积运算后的尺寸为(13+1+1-3)/1+1=13，即每个GPU中共13×13×192个卷积核，2个GPU生成13×13×384的像素层。

2. ReLU

　　卷积后的像素层经过ReLU单元的处理，生成激活像素层，尺寸仍为2组13×13×192的像素层，分配给两组GPU处理。

【第五层 conv5】

　　第五层的处理流程为：卷积-->ReLU-->池化

1. 卷积
　　第五层输入数据为第四层输出的2组13×13×192的像素层，padding = 1，该层上每个CPU都有28个卷积核，每个卷积核的尺寸为3×3×192，步长为1，卷积后每个CPU共有13×13×128个卷积核，2个GPU卷积后生成13×13×256的像素层

2. ReLU

　　卷积后的像素层经过ReLU单元处理，生成激活像素层，尺寸仍为2组13×13×128像素层，由两个GPU分别处理。

3.Pooling

　　2组13×13×128像素层分别在2个不同GPU中进行池化运算处理，池化运算的尺寸为3×3，步长为2，池化后图像的尺寸为 (13-3)/2+1=6，即池化后像素的规模为两组6×6×128的像素层数据，共有6×6×256的像素层数据。

 【第六层 fc6】

　　第六层的处理流程为：卷积（全连接）-->ReLU-->Dropout

1. 全连接

　　第六层输入数据是第五层的输出，尺寸为6×6×256。本层共有4096个卷积核，每个卷积核的尺寸为6×6×256，由于卷积核的尺寸刚好与待处理特征图（输入）的尺寸相同，即卷积核中的每个系数只与特征图（输入）尺寸的一个像素值相乘，一一对应，因此，该层被称为全连接层。由于卷积核与特征图的尺寸相同，卷积运算后只有一个值，因此，卷积后的像素层尺寸为4096@1×1，即有4096个神经元。

2.ReLU

　　这4096个运算结果通过ReLU激活函数生成4096个值。

3.Dropout

　　然后再通过Dropout运算，输出4096个结果值。

【第七层 fc7】

　　第六层输出的4096个数据与第七层的4096个神经元进行全连接，然后经由relu7进行处理后生成4096个数据，再经过dropout7处理后输出4096个数据。

【第八层 fc8】

　　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，经过训练后输出被训练的数值。

## Tensorflow实现

　　在Tensorflow的示例中有该模型的实现，链接如下：https://github.com/tensorflow/models/blob/master/tutorials/image/alexnet/alexnet_benchmark.py