深度学习-卷积神经网络的发展-笔记

　　CNN的开山之作是LeCun提出的LeNet-5，而其真正的爆发阶段是2012年AlexNet取得ImageNet比赛的分类任务的冠军，并且分类准确率远远超过利用传统方法实现的分类结果，AlexNet之后，深度学习便一发不可收拾，分类准确率每年都被刷榜，下图展示了模型的变化情况，随着模型的变深，Top-5的错误率也越来越低，目前已经降低到了3.5%左右，同样的ImageNet数据集，人眼的辨识错误率大概为5.1%，也就是深度学习的识别能力已经超过了人类。

LeNet-5结构简要

输入图像大小为32x32，比MNIST数据库中的字母大，这样做的原因是希望潜在的明显特征，如笔画断点或角点能够出现在最高层特征监测子感受野的中心。

	C1层	S2层	C3层	S4层	C5层	F6层
输入图像大小	32×32	28×28×6	14×14×6	10×10×16	5×5×16	1×1×120
卷积核大小	5×5	2×2	5×5	2×2	5×5	1×1
卷积核个数	6	6	16	16	120	84
输出特征图数量	6	6	16	16	120	1
输出特征图大小	28×28 (32-5+1)	14×14 (28/2,28/2)	10×10 (14-5+1)	5×5×16	1×1 (5-5+1)	84
神经元数量	4707 (28×28×6)	1176 (14×14×6)	1600 (10×10×16)	400 (5×5×16)	120 (1×120)	84
连接数	122304 (28×28×5×5×6+28×28×6)	5880 (2×2×14×14×6+14×14×6)	151600 (1516×10×10)	2000 (2×2×5×5×16+5×5×16)	48120 (5×5×16×120×1+120×1)	10164 (120×84+84)
可训练参数	156 (5×5×6,权值+偏置)	12 (1×6+6, 权值+偏置)	1516	32 ((1+1)×16)	48120 (5×5×16×120+120)	10164 (120×84+84)

output层

输入图像大小：1x84
输出特征图数量：1x10

AlexNet

此文对AlexNet说的很详细https://blog.csdn.net/zyqdragon/article/details/72353420以下表格之前均转载此文。

Alex在2012年提出的alexnet网络结构模型引爆了神经网络的应用热潮，并赢得了2012届图像识别大赛的冠军，使得CNN成为在图像分类上的核心算法模型。

1. conv1阶段DFD（data flow diagram）：

第一层输入数据为原始的227*227*3的图像，这个图像被11*11*3的卷积核进行卷积运算，卷积核对原始图像的每次卷积都生成一个新的像素。卷积核沿原始图像的x轴方向和y轴方向两个方向移动，移动的步长是4个像素。因此，卷积核在移动的过程中会生成(227-11)/4+1=55个像素(227个像素减去11，正好是54，即生成54个像素，再加上被减去的11也对应生成一个像素)，行和列的55*55个像素形成对原始图像卷积之后的像素层。共有96个卷积核，会生成55*55*96个卷积后的像素层。96个卷积核分成2组，每组48个卷积核。对应生成2组55*55*48的卷积后的像素层数据。这些像素层经过relu1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。

这些像素层经过pool运算(池化运算)的处理，池化运算的尺度为3*3，运算的步长为2，则池化后图像的尺寸为(55-3)/2+1=27。即池化后像素的规模为27*27*96；然后经过归一化处理，归一化运算的尺度为5*5；第一卷积层运算结束后形成的像素层的规模为27*27*96。分别对应96个卷积核所运算形成。这96层像素层分为2组，每组48个像素层，每组在一个独立的GPU上进行运算。

反向传播时，每个卷积核对应一个偏差值。即第一层的96个卷积核对应上层输入的96个偏差值。
2. conv2阶段DFD（data flow diagram）：

第二层输入数据为第一层输出的27*27*96的像素层，为便于后续处理，每幅像素层的左右两边和上下两边都要填充2个像素；27*27*96的像素数据分成27*27*48的两组像素数据，两组数据分别再两个不同的GPU中进行运算。每组像素数据被5*5*48的卷积核进行卷积运算，卷积核对每组数据的每次卷积都生成一个新的像素。卷积核沿原始图像的x轴方向和y轴方向两个方向移动，移动的步长是1个像素。因此，卷积核在移动的过程中会生成(27-5+2*2)/1+1=27个像素。(27个像素减去5，正好是22，在加上上下、左右各填充的2个像素，即生成26个像素，再加上被减去的5也对应生成一个像素)，行和列的27*27个像素形成对原始图像卷积之后的像素层。共有256个5*5*48卷积核；这256个卷积核分成两组，每组针对一个GPU中的27*27*48的像素进行卷积运算。会生成两组27*27*128个卷积后的像素层。这些像素层经过relu2单元的处理，生成激活像素层，尺寸仍为两组27*27*128的像素层。

这些像素层经过pool运算(池化运算)的处理，池化运算的尺度为3*3，运算的步长为2，则池化后图像的尺寸为(57-3)/2+1=13。即池化后像素的规模为2组13*13*128的像素层；然后经过归一化处理，归一化运算的尺度为5*5；第二卷积层运算结束后形成的像素层的规模为2组13*13*128的像素层。分别对应2组128个卷积核所运算形成。每组在一个GPU上进行运算。即共256个卷积核，共2个GPU进行运算。

反向传播时，每个卷积核对应一个偏差值。即第一层的96个卷积核对应上层输入的256个偏差值。
3. conv3阶段DFD（data flow diagram）：

第三层输入数据为第二层输出的2组13*13*128的像素层；为便于后续处理，每幅像素层的左右两边和上下两边都要填充1个像素；2组像素层数据都被送至2个不同的GPU中进行运算。每个GPU中都有192个卷积核，每个卷积核的尺寸是3*3*256。因此，每个GPU中的卷积核都能对2组13*13*128的像素层的所有数据进行卷积运算。卷积核对每组数据的每次卷积都生成一个新的像素。卷积核沿像素层数据的x轴方向和y轴方向两个方向移动，移动的步长是1个像素。因此，运算后的卷积核的尺寸为(13-3+1*2)/1+1=13（13个像素减去3，正好是10，在加上上下、左右各填充的1个像素，即生成12个像素，再加上被减去的3也对应生成一个像素），每个GPU中共13*13*192个卷积核。2个GPU中共13*13*384个卷积后的像素层。这些像素层经过relu3单元的处理，生成激活像素层，尺寸仍为2组13*13*192像素层，共13*13*384个像素层。
4. conv4阶段DFD（data flow diagram）：

第四层输入数据为第三层输出的2组13*13*192的像素层；为便于后续处理，每幅像素层的左右两边和上下两边都要填充1个像素；2组像素层数据都被送至2个不同的GPU中进行运算。每个GPU中都有192个卷积核，每个卷积核的尺寸是3*3*192。因此，每个GPU中的卷积核能对1组13*13*192的像素层的数据进行卷积运算。卷积核对每组数据的每次卷积都生成一个新的像素。卷积核沿像素层数据的x轴方向和y轴方向两个方向移动，移动的步长是1个像素。因此，运算后的卷积核的尺寸为(13-3+1*2)/1+1=13（13个像素减去3，正好是10，在加上上下、左右各填充的1个像素，即生成12个像素，再加上被减去的3也对应生成一个像素），每个GPU中共13*13*192个卷积核。2个GPU中共13*13*384个卷积后的像素层。这些像素层经过relu4单元的处理，生成激活像素层，尺寸仍为2组13*13*192像素层，共13*13*384个像素层。
5. conv5阶段DFD（data flow diagram）：

第五层输入数据为第四层输出的2组13*13*192的像素层；为便于后续处理，每幅像素层的左右两边和上下两边都要填充1个像素；2组像素层数据都被送至2个不同的GPU中进行运算。每个GPU中都有128个卷积核，每个卷积核的尺寸是3*3*192。因此，每个GPU中的卷积核能对1组13*13*192的像素层的数据进行卷积运算。卷积核对每组数据的每次卷积都生成一个新的像素。卷积核沿像素层数据的x轴方向和y轴方向两个方向移动，移动的步长是1个像素。因此，运算后的卷积核的尺寸为(13-3+1*2)/1+1=13（13个像素减去3，正好是10，在加上上下、左右各填充的1个像素，即生成12个像素，再加上被减去的3也对应生成一个像素），每个GPU中共13*13*128个卷积核。2个GPU中共13*13*256个卷积后的像素层。这些像素层经过relu5单元的处理，生成激活像素层，尺寸仍为2组13*13*128像素层，共13*13*256个像素层。

2组13*13*128像素层分别在2个不同GPU中进行池化(pool)运算处理。池化运算的尺度为3*3，运算的步长为2，则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6*6*256规模的像素层数据。
6. fc6阶段DFD（data flow diagram）：

第六层输入数据的尺寸是6*6*256，采用6*6*256尺寸的滤波器对第六层的输入数据进行卷积运算；每个6*6*256尺寸的滤波器对第六层的输入数据进行卷积运算生成一个运算结果，通过一个神经元输出这个运算结果；共有4096个6*6*256尺寸的滤波器对输入数据进行卷积运算，通过4096个神经元输出运算结果；这4096个运算结果通过relu激活函数生成4096个值；并通过drop运算后输出4096个本层的输出结果值。

由于第六层的运算过程中，采用的滤波器的尺寸(6*6*256)与待处理的feature map的尺寸(6*6*256)相同，即滤波器中的每个系数只与feature map中的一个像素值相乘；而其它卷积层中，每个滤波器的系数都会与多个feature map中像素值相乘；因此，将第六层称为全连接层。

第五层输出的6*6*256规模的像素层数据与第六层的4096个神经元进行全连接，然后经由relu6进行处理后生成4096个数据，再经过dropout6处理后输出4096个数据。
7. fc7阶段DFD（data flow diagram）：

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。

8. fc8阶段DFD（data flow diagram）：

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。

Alexnet网络中各个层发挥的作用如下表所述：

算法	作用
ReLU、多个CPU	提高训练速度
重叠pool池化	提高精度、不容易产生过拟合
局部响应归一化	提高精度
数据增益、Dropout	减少过拟合

**训练技巧（以下AlexNet部分均转载此文）：dropout防止过拟合，提高泛化能力 **

训练阶段使用了Dropout技巧随机忽略一部分神经元，缓解了神经网络的过拟合现象，和防止对网络参数优化时陷入局部最优的问题，Dropout虽有单独的论文论述，但是AlexNet将其实用化，通过实践证实了它的效果。在AlexNet中主要是最后几个全连接层使用了Dropout。

该网络是利用Dropout在训练过程中将输入层和中间层的一些神经元随机置零，使得训练过程收敛的更慢，但得到的网络模型更加具有鲁棒性。

数据扩充 / 数据增强：防止过拟合

通过图像平移、水平翻转、调整图像灰度等方法扩充样本训练集，扩充样本训练集，使得训练得到的网络对局部平移、旋转、光照变化具有一定的不变性，数据经过扩充以后可以达到减轻过拟合并提升泛化能力。进行预测时，则是取图像的四个角加上中间共5个位置，并进行左右翻转，一共获得10张图像，对它们进行预测并对10次结果求均值。

池化方式：

AlexNet全部使用最大池化的方式，避免了平均池化所带来的模糊化的效果，并且步长<池化核的大小，这样一来池化层的输出之间会有重叠和覆盖，提升了特征的丰富性。

此前的CNN一直使用平均池化的操作。

激活函数：ReLU

Relu函数：f(x)=max(0,x)

采用非饱和线性单元——ReLU代替传统的经常使用的tanh和sigmoid函数，加速了网络训练的速度，降低了计算的复杂度，对各种干扰更加具有鲁棒性，并且在一定程度上避免了梯度消失问题。

优势：

ReLU本质上是分段线性模型，前向计算非常简单，无需指数之类操作；
ReLU的偏导也很简单，反向传播梯度，无需指数或者除法之类操作；
ReLU不容易发生梯度发散问题，Tanh和Logistic激活函数在两端的时候导数容易趋近于零，多级连乘后梯度更加约等于0；
ReLU关闭了右边，从而会使得很多的隐层输出为0，即网络变得稀疏，起到了类似L1的正则化作用，可以在一定程度上缓解过拟合。
缺点：

当然，ReLU也是有缺点的，比如左边全部关了很容易导致某些隐藏节点永无翻身之日，所以后来又出现pReLU、random ReLU等改进，而且ReLU会很容易改变数据的分布，因此ReLU后加Batch Normalization也是常用的改进的方法。

提出了LRN层（Local Response Normalization）：

LRN即Local Response Normalization，局部响应归一化处理，实际就是利用临近的数据做归一化，该策略贡献了1.2%的准确率，该技术是深度学习训练时的一种提高准确度的技术方法，LRN一般是在激活、池化后进行的一种处理方法。

LRN是对局部神经元的活动创建竞争机制，使得其中响应较大的值变得相对更大，并抑制其他反馈较小的神经元，增强了模型的泛化能力。

为什么输入数据需要归一化（Normalized Data）？

归一化后有什么好处呢？原因在于神经网络学习过程本质就是为了学习数据分布，一旦训练数据与测试数据的分布不同，那么网络的泛化能力也大大降低；另外一方面，一旦每批训练数据的分布各不相同(batch 梯度下降)，那么网络就要在每次迭代都去学习适应不同的分布，这样将会大大降低网络的训练速度，这也正是为什么我们需要对数据都要做一个归一化预处理的原因。

对于深度网络的训练是一个复杂的过程，只要网络的前面几层发生微小的改变，那么后面几层就会被累积放大下去。一旦网络某一层的输入数据的分布发生改变，那么这一层网络就需要去适应学习这个新的数据分布，所以如果训练过程中，训练数据的分布一直在发生变化，那么将会影响网络的训练速度。

分布式计算：

AlexNet使用CUDA加速深度卷积网络的训练，利用GPU强大的并行计算能力，处理神经网络训练时大量的矩阵运算。

有多少层需要训练

整个AlexNet有8个需要训练参数的层，不包括池化层和LRN层，前5层为卷积层，后3层为全连接层，AlexNet的最后一层是由1000类输出的Softmax层用作分类，LRN层出现在第一个和第二个卷积层之后，最大池化层出现在两个LRN之后和最后一个卷积层之后。

虽然前几个卷积层的计算量很大，但是参数量都很小，在1M左右甚至更小。只占AlexNet总参数量的很小一部分，这就是卷积层的作用，可以通过较小的参数量有效的提取特征。

为什么使用多层全连接：

全连接层在CNN中起到分类器的作用，前面的卷积层、池化层和激活函数层等操作是将原始数据映射到隐层特征空间，全连接层是将学到的特征映射映射到样本标记空间，就是矩阵乘法，再加上激活函数的非线性映射，多层全连接层理论上可以模拟任何非线性变换。但缺点也很明显: 无法保持空间结构。

由于全连接网络的冗余（占整个我拿过来参数的80%），近期一些好的网络模型使用全局平均池化（GAP）取代FC来融合学到的深度特征，最后使用softmax等损失函数作为网络目标函数来指导学习过程，用GAP替代FC的网络通常有较好的预测性能。

全连接的一个作用是维度变换，尤其是可以把高维变到低维，同时把有用的信息保留下来。全连接另一个作用是隐含语义的表达(embedding)，把原始特征映射到各个隐语义节点(hidden node)。对于最后一层全连接而言，就是分类的显示表达。不同channel同一位置上的全连接等价与1x1的卷积。N个节点的全连接可近似为N个模板卷积后的均值池化(GAP)。

GAP：假如最后一层的数据是10个66的特征图，global average pooling是将每个特征图计算所有像素点的均值，输出一个数据值，10个特征图就会输出10个值，组成一个110的特征向量。

用特征图直接表示属于某类的置信率，比如有10个输出，就在最后输出10个特征图，每个特征图的值加起来求均值，然后将均值作为其属于某类的置信值，再输入softmax中，效果较好。

因为FC的参数众多，这么做就减少了参数的数量（在最近比较火的模型压缩中，这个优势可以很好的压缩模型的大小）。

因为减少了参数的数量，可以很好的减轻过拟合的发生。