1.【经典网络】AlexNet 论文精读

股股牛

原文链接：ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks

0. 核心总结

核心是提出了一种深层卷积神经网络的架构，并引入了GPU训练、ReLU激活函数、Dropout正则化这些训练深层卷积神经网络的手段。
1. 摘要

训练了一个大型的卷积神经网络，在ImageNet LSVRC-2010和ILSVRC-2012图像分类竞赛中取得了远低于第二名错误率的成绩。
2. 引言

事实证明，大图像数据集比小图像数据集能够训练更优的模型，但同时对于ImageNet这样的超大型数据集也需要与之对应的具有强大学习能力的模型，CNN对图像的性质（局部平稳和参数共享）使其比相同性能的标准前馈神经网络参数量要少得多。
尽管CNN具有如此优秀的性质，但计算它还是很昂贵的，然而得益于GPU使得训练大型的CNN网络成为了可能，并且大型图像数据集ImageNet的出现使得模型不会出现严重的过拟合。
本文的具体贡献如下：

• 在ImageNet子集上训练了迄今为止最大的卷积神经网络，并取得了迄今为止最好的成绩；
  
• 编写了一个高度优化的2D卷积的GPU实现，以及提供了训练卷积神经网络的所有操作细节，包括如何提高性能、减少训练时间等；
  
• 即使有大量的数据，但由于网络的太大还是会有过拟合的问题，所以采用了几种有效的技术来防止过拟合。
  

3. 数据集

使用了著名的ImageNet数据集，介绍直接从原文翻译。

ImageNet是一个由超过1500万张标注的高分辨率图像组成的数据集，属于大约22，000个类别。这些图像是从网上收集的，并由人类贴标者使用亚马逊的研究工具众包工具进行标记。从2010年开始，作为Pascal视觉对象挑战赛的一部分，每年举办一次名为ImageNet大规模视觉识别挑战赛( ILSVRC )的竞赛。ILSVRC使用ImageNet的一个子集，在1000个类别中的每个类别中大约有1000个图像。总共有大约120万张训练图像、50,000张验证图像和150,000张测试图像。

ILSVRC-2010是唯一一个测试集标签可用的ILSVRC版本，因此这是我们进行大部分实验的版本。由于我们也在ILSVRC-2012竞赛中输入了我们的模型，在第6节中我们也报告了我们在这个版本的数据集上的结果，对于这个版本的数据集，测试集标签是不可用的。在ImageNet上，通常报告两个错误率：top-1和top-5，其中top-5错误率是模型认为最可能的5个标签中没有正确标签的测试图像的分数。

ImageNet由可变分辨率的图像组成，而我们的系统需要一个恒定的输入维度。因此，我们将图像降采样到256×256的固定分辨率。给定一个矩形图像，我们首先对图像进行缩放，使较短的边长为256，然后从结果图像中裁剪出中心的256×256块。我们没有以任何其他方式预处理图像，除了从每个像素中减去训练集的平均活动。因此，我们在像素的(中心)原始RGB值上训练我们的网络。

4. 架构

AlexNet的网络架构如下图所示，它包含5个卷积层和3个全连接层，下面会介绍AlexNet网络一些新颖的特征，以下特征根据重要性向下排序。



AlexNet网络架构图

4.1 ReLU激活函数

ReLU激活函数的公式：
f(x) = max(0,x)\\
本文通过大量实验证明使用ReLU作为激活函数比使用tanh作激活函数训练速度要快好几倍，如下图所示：



relu与tanh速度对比图

4.2 多GPU训练

本文使用两块GTX 580 GPU来训练AlexNet，采用并行化方案，每个GPU上放置一半的内核。
4.3 局部响应归一化（LRN，Local Response Normalization）

一种提高泛化性的手段，现在已不常用，被批归一化Batch Normalization代替。
4.4 重叠池化（Overlapping Pooling）

即步长要小于池化单元的大小，使得每一个池化单元组成的网格有所重叠，这样能稍微降低点错误率。
4.5 整体架构

AlexNet包含8个带权重的层，前5个为卷积层，其余3个为全连接层，最后输出到一个1000类的Softmax层。
第2层，第4层，第5层卷积层内核仅连接到位于同一GPU上的前一层内核。第3层内核连接到第二层的所有内核，全连接层也与上一层的所有神经元相连。局部相应归一化应用于第1层和第2层，最大池化层是重叠池化，使用在第1层，第2层和第5层。
5. 减少过拟合

第一种方式是使用数据增强，包括以下两种形式：

• 通过图像平移和水平反射生成图像；
  
• 改变训练图像中RGB通道的强度，即对整个ImageNet训练集的RGB像素值集合进行PCA主成分分析，将权重加到对应的RGB通道上。
  

第二种方式是使用Dropout方法，即在每轮前向传播和反向传播中，每层的神经元将会有一定的比例“失活”，即在本轮置为0，不参与前向传播和反向传播的过程。
6. 训练细节

优化器为SGD，batch size为128，momentum为0.9，权重衰减（L2正则）为5e-4。
从一个均值为0，标准差为0.01的高斯分布中初始化各层权重，用常数1初始化第2层，第4层，第5层和全连接层的偏置，用常数0初始化其余层的偏置。
每层的学习率相同，并在训练过程中手动调整。学习率初始化为0.01，当验证集错误率停止下降时，将学习率减小10倍继续训练，在终止训练前减小3次。
本文在120万张图像训练集上训练了90个epoch，在两个NVDIA GTX 580 3GB GPU上训练了5～6天的时间。
7. 结果

在ILSVRC-2010测试集上与其它方法的对比结果：



AlexNet测试结果图1

在ILSVRC-2012验证集和测试集上的对比结果，*号表示在完整版ImageNet数据集上进行过预训练再微调，1 CNN表示一个标准的AlexNet，5 CNN表示训练5个AlexNet将预测结果取平均，7 CNN表示在AlexNet最后一个池化层后再加上第6个卷积层：



AlexNet测试结果图2

下图展示了第1层卷积层的96个卷积核的可视化情况，表征了卷积核所学习到的特征：



AlexNet卷积核可视化

下图展示了AlexNet在8张测试图像上的top-5预测结果，可以发现即使是偏离中心的对象（如第1幅图）也可以被网络识别，并且大多数图像top-5预测结果尽管并非完全正确但似乎也是合理的，同时也可以注意到部分图像（如第7幅图）本身就具有模糊性：



AlexNet图像预测

下图展示了在AlexNet最后一个隐藏层的特征向量欧氏距离最小的几幅图像（每行），可以发现特征向量欧式距离相近的图片确实表征的是同一个对象，即使对象的位置、朝向、明暗不同，这表明卷积神经网络可以很好的提取出图像的语义特征



AlexNet最后一个隐藏层所表征的特征向量

8. 思考

本文认为卷积神经网络的深度是很重要的，减小深度会导致性能的下降。
AlexNet虽然在图像分类任务上取得了很大的提升，但对比人类视觉系统的识别还是有一定差距的。