【动手学计算机视觉】第十六讲:卷积神经网络之AlexNet

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简介: 前文详细介绍了卷积神经网络的开山之作LeNet,虽然近几年卷积神经网络非常热门,但是在LeNet出现后的十几年里,在目标识别领域卷积神经网络一直被传统目标识别算法(特征提取+分类器)所压制,直到2012年AlexNet在ImageNet挑战赛一举夺魁,使得卷积神经网络再次引起人们的重视,并因此而一发不可收拾,卷积神经网络的研究如雨后春笋一般不断涌现,推陈出新,后续很多卷积神经网络模型也都是在此基础上进行不断的优化改进,本文就来详细介绍一些AlexNet模型。

前言

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前文详细介绍了卷积神经网络的开山之作LeNet,虽然近几年卷积神经网络非常热门,但是在LeNet出现后的十几年里,在目标识别领域卷积神经网络一直被传统目标识别算法(特征提取+分类器)所压制,直到2012年AlexNet(ImageNet Classification with Deep ConvolutionalNeural Networks)在ImageNet挑战赛一举夺魁,使得卷积神经网络再次引起人们的重视,并因此而一发不可收拾,卷积神经网络的研究如雨后春笋一般不断涌现,推陈出新。

AlexNet是以它的第一作者Alex Krizhevsky而命名,这篇文章中也有深度学习领域三位大牛之一的Geoffrey Hinton的身影。AlexNet之所以这么有名气,不仅仅是因为获取比赛冠军这么简单。这么多年,目标识别、目标跟踪相关的比赛层出不穷,获得冠军的团队也变得非常庞大,但是反观一下能够像 AlexNet影响力这么大的,却是寥寥可数。

AlexNet相比于上一代的LeNet它首先在数据集上做了很多工作,

第一点:数据集

我们都知道,限制深度学习的两大因素分别是算力和数据集,AlexNet引入了数据增广技术,对图像进行颜色变换、裁剪、翻转等操作。

第二点:激活函数

在激活函数方面它采用ReLU函数代替Sigmoid函数,前面我用一篇文章详细的介绍了不同激活函数的优缺点,如果看过的同学应该清楚,ReLU激活函数不仅在计算方面比Sigmoid更加简单,而且可以克服Sigmoid函数在接近0和1时难以训练的问题。

第三点:Dropout

这也是AlexNet相对于LeNet比较大一点不同之处,AlexNet引入了Dropout用于解决模型训练过程中容易出现过拟合的问题,此后作者还发表几篇文章详细的介绍Dropout算法,它的引入使得卷积神经网络效果大大提升,直到如今Dropout在模型训练过程中依然被广泛使用。

第四点:模型结构

卷积神经网络的每次迭代,模型架构都会发生非常大的变化,卷积核大小、网络层数、跳跃连接等等,这也是不同卷积神经网络模型之间的区别最明显的一点,由于网络模型比较庞大,一言半语无法描述完整,下面我就来详细介绍一下AlexNet的网络模型。

AlexNet

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如果读过前面一片文章应该了解,LeNet是一个5层的卷积神经网络模型,它有两个卷积层和3个全连接层。对比而言,AlexNet是一个8层的卷积升级网络模型,它有5个卷积层和3个全连接层。

我们在搭建一个网络模型的过程中,重点应该关注如下几点:

  • 卷积核大小
  • 输入输出通道数
  • 步长
  • 激活函数

关于AlexNet中使用的激活函数前面已经介绍过,它使用的是ReLU激活函数,它5层卷积层除了第一层卷积核为11*11、第二次为5*5之外,其余三层均为3*3,下面就详细介绍一下AlexNet的模型结构。

第一层:卷积层

卷积核大小11*11,输入通道数根据输入图像而定,输出通道数为96,步长为4

池化层窗口大小为3*3,步长为2

第二层:卷积层

卷积核大小5*5,输入通道数为96,输出通道数为256,步长为2

池化层窗口大小为3*3,步长为2

第三层:卷积层

卷积核大小3*3,输入通道数为256,输出通道数为384,步长为1

第四层:卷积层

卷积核大小3*3,输入通道数为384,输出通道数为384,步长为1

第五层:卷积层

卷积核大小3*3,输入通道数为384,输出通道数为256,步长为1

池化层窗口大小为3*3,步长为2

第六层:全连接层

输入大小为上一层的输出,输出大小为4096

Dropout概率为0.5

第七层:全连接层

输入大小为4096,输出大小为4096

Dropout概率为0.5

第八层:全连接层

输入大小为4096,输出大小为分类数

注意:需要注意一点,5个卷积层中前2个卷积层后面都会紧跟一个池化层,而第3、4层卷积层后面没有池化层,而是连续3、4、5层三个卷积层后才加入一个池化层。

编程实践

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在动手实践LeNet文章中,我介绍了网络搭建的过程,这种方式同样适用于除LeNet之外的其他模型的搭建,我们需要首先完成网络模型的搭建,然后再编写训练、验证函数部分。

在前面一篇文章为了让大家更加容易理解tensorflow的使用,更加清晰的看到网络搭建的过程,因此逐行编码进行模型搭建。但是,我们会发现,同类型的网络层之间很多参数是相同的,例如卷积核大小、输出通道数、变量作用于的名称,我们逐行搭建会有很多代码冗余,我们完全可以把这些通用参数作为传入参数提炼出来。因此,本文编程实践中会侧重于代码规范,提高代码的可读性。

编程实践中主要根据tensorflow接口的不同之处把网络架构分为如下4个模块:

  • 卷积层
  • 池化层
  • 全连接层
  • Dropout

卷积层

针对卷积层,我们把输入、卷积核大小、输入通道数、步长、变量作用域作为入参,我们使用tensorflow时会发现,我们同样需要知道输入数据的通道数,关于这个变量,我们可以通过获取输入数据的尺寸获得,

def conv_layer(self, X, ksize, out_filters, stride, name):
    in_filters = int(X.get_shape()[-1])
    with tf.variable_scope(name) as scope:
        weight = tf.get_variable("weight", [ksize, ksize, in_filters, out_filters])
        bias = tf.get_variable("bias", [out_filters])
    conv = tf.nn.conv2d(X, weight, strides=[1, stride, stride, 1], padding="SAME")
    activation = tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(conv, bias))
    return activation

上面,我们经过获取权重、偏差,卷积运算,激活函数3个部分完成了卷积模块的实现。AlexNet有5个卷积层,不同层之间的主要区别就体现在conv_layer的入参上面,因此我们只需要修改函数的入参就可以完成不同卷积层的搭建。

池化层

def pool_layer(self, X, ksize, stride):
    return tf.nn.max_pool(X, ksize=[1, ksize, ksize, 1], strides=[1, stride, stride, 1], padding="SAME")
全连接层
def full_connect_layer(self, X, out_filters, name):
    in_filters = X.get_shape()[-1]
    with tf.variable_scope(name) as scope:
        w_fc = tf.get_variable("weight", shape=[in_filters, out_filters])
        b_fc = tf.get_variable("bias", shape=[out_filters], trainable=True)
    fc = tf.nn.xw_plus_b(X, w_fc, b_fc)
    return tf.nn.relu(fc)
Dropout
def dropout(self, X, keep_prob):
    return tf.nn.dropout(X, keep_prob)

到这里,我们就完成了卷积层、池化层、全连接层、Dropout四个模块的编写,下面我们只需要把不同模块按照AlexNet的模型累加在一起即可,

模型

def create(self, X):
    X = tf.reshape(X, [-1, 28, 28, 1])
    conv_layer1 = self.conv_layer(X, 11, 96, 4, "Layer1")
    pool_layer1 = self.pool_layer(conv_layer1, 3, 2)
    conv_layer2 = self.conv_layer(pool_layer1, 5, 256, 2, "Layer2")
    pool_layer2 = self.pool_layer(conv_layer2, 3, 2)
    conv_layer3 = self.conv_layer(pool_layer2, 3, 384, 1, "Layer3")
    conv_layer4 = self.conv_layer(conv_layer3, 3, 384, 1, "Layer4")
    conv_layer5 = self.conv_layer(conv_layer4, 3, 256, 1, "Layer5")
    pool_layer = self.pool_layer(conv_layer5, 3, 2)
    _, x, y, z = pool_layer.get_shape()
    full_connect_size = x * y * z
    flatten = tf.reshape(pool_layer, [-1, full_connect_size])
    fc_1 = self.full_connect_layer(flatten, 4096, "fc_1")
    drop1 = self.dropout(fc_1, self.keep_prob)
    fc_2 = self.full_connect_layer(drop1, 4096, "fc_2")
    drop2 = self.dropout(fc_2, self.keep_prob)
    fc_3 = self.full_connect_layer(drop2, self.num_classes, "fc_3")
    return fc_3

返回结果是一个1*m维的向量,其中m是类别数,以本文使用的MNIST为例,输入是一个1*10的详细,每一个数字对应于索引数字的概率值。

上述就是完整模型的搭建过程,下面我们就需要把输入传入模型,然后获取预测输出,进而构建误差函数进行训练模型。

训练验证

训练验证部分入参有3个,分别是,

  • 输入数据
  • 标签
  • 预测值

其中输入数据和标签为占位符,会在图启动运算时传入真实数据,预测值为模型的输出,

def train_val(X, y, y_):
    loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=y, logits=y_))
    optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=LR)
    train_op = optimizer.minimize(loss)
    tf.summary.scalar("loss", loss)
    correct_pred = tf.equal(tf.argmax(y, 1), tf.argmax(y_, 1))
    accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred, tf.float32))
    merged = tf.summary.merge_all()
    writer = tf.summary.FileWriter("logs")
    saver = tf.train.Saver()
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(tf.global_variables_initializer())
        writer.add_graph(sess.graph)
        i = 0
        for epoch in range(EPOCHS):
            for step in range(MAX_STEPS):
                batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(BATCH_SIZE)
                summary, loss_val, _ = sess.run([merged, loss, train_op],
                                                feed_dict={X: batch_xs, y: batch_ys})
                print("epoch : {}----loss : {}".format(epoch, loss_val))
                writer.add_summary(summary, i)
                i += 1
        saver.save(sess, os.path.join("temp", "mode.ckpt"))
        test_acc = 0
        test_count = 0
        for _ in range(10):
            batch_xs, batch_ys = mnist.test.next_batch(BATCH_SIZE)
            acc = sess.run(accuracy, feed_dict={X: batch_xs, y: batch_ys})
            test_acc += acc
            test_count += 1
        print("accuracy : {}".format(test_acc / test_count))

上述就是AlexNet模型搭建和训练过程。

注意:同一个模型在不同的数据集上表现会存在很大差异,例如LeNet是在MNIST的基础上进行搭建和验证的,因此卷积核、步长等这些超参数都已经进行了精心的调节,因此只需要按照模型搭建完成即可得到99%以上的准确率。而AlexNet是在ImageNet的图像上进行调优的,ImageNet的图像相对于MNIST28*28的图像要大很多,因此卷积核、步长都要大很多,但是这样对于图像较小的MNIST来说就相对较大,很难提取细节特征,因此如果用默认的结构效果甚至比不上20年轻的LeNet。这也是为什么深度学习模型可复制性差的原因,尽管是两个非常类似的任务,同一个模型在两个任务上表现得效果也会存在很大的差异,这需要工程时对其进行反复的调节、优化。

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