卷积神经网络-AlexNet

AlexNet

一些前置知识

top-1 和top-5错误率

top-1错误率指的是在最后的n哥预测结果中，只有预测概率最大对应的类别是正确答案才算预测正确。

top-5错误率指的是在最后的n个预测结果中，只要预测概率最大的前五个中含有正确答案就算预测正确。

max-pooling层

最大池化又叫做subsampling，其主要作用是减少图像的高度和长度而深度(宽度)则不会改变。下面是一个列子：

fully-connect层

在全连接层中，其每个神经元都与前一层的所有神经元相连接，每个连接都有一个权重用于调节信息传递的强度，并且每个神经元还有一个偏置项。

1000-way softmax

它其实也属于全连接层，这个层原本包含1000个未归一化的输出，而softmax将这个向量转换为概率分布。计算方式如下：

\[P(y_i) = \frac{e^{z_i}}{\sum_{j = 1}^{1000}e^{z_j}}
\]

non-saturating neurons

非饱和神经元是深度学习中一种设计神经元的理念，目的是避免神经元在训练过程中出现饱和现象。饱和现象会导致梯度消失，进而使得模型难以训练。下面是一些常见的非饱和激活函数：

• ReLU
• Leaky ReLU
• ELU
• SELU

dropout

在训练时以一定的概率将输入置0，输出时接受所有神经元的输出，但要乘以概率(1-p)。使得模型在每次前向和反向传播时都使用不同的子网络进行训练，从而提高模型的泛化能力。这种方法有效地减少了神经元之间的共适应性（co-adaptation），迫使网络的每个神经元在更具鲁棒性的特征上进行学习。

缺点：收敛速度可能变慢。

网络结构

由于这篇文章在提出时没有很好的GPU，估计显存不够？所有采用了双GPU训练的方法。具体来说上下两块GPU分别负责一般的参数，但是这其中也有信息的融合，比如第3、6，7层。其次这里输出的图像维度应该有误，应更正为2252253

算法实现

import torch.nn as nn
import torch

class AlexNet(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes=1000, init_weights=False):
        super(AlexNet, self).__init__()
        self.features = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 48, kernel_size=11, stride=4, padding=2),  # input[3, 224, 224]  output[48, 55, 55]
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),                  # output[48, 27, 27]
            nn.Conv2d(48, 128, kernel_size=5, padding=2),           # output[128, 27, 27]
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),                  # output[128, 13, 13]
            nn.Conv2d(128, 192, kernel_size=3, padding=1),          # output[192, 13, 13]
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(192, 192, kernel_size=3, padding=1),          # output[192, 13, 13]
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(192, 128, kernel_size=3, padding=1),          # output[128, 13, 13]
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),                  # output[128, 6, 6]
        )
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Dropout(p=0.5),
            nn.Linear(128 * 6 * 6, 2048),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(p=0.5),
            nn.Linear(2048, 2048),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(2048, num_classes),
        )
        if init_weights:
            self._initialize_weights()

    def forward(self, x):
        x = self.features(x)
        x = torch.flatten(x, start_dim=1)
        x = self.classifier(x)
        return x

    def _initialize_weights(self):
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv2d):
                nn.init.kaiming_normal_(m.weight, mode='fan_out', nonlinearity='relu')
                if m.bias is not None:
                    nn.init.constant_(m.bias, 0)
            elif isinstance(m, nn.Linear):
                nn.init.normal_(m.weight, 0, 0.01)
                nn.init.constant_(m.bias, 0)