用AlexNet對cifar-10數(shù)據(jù)進(jìn)行分類

上周我們用PaddlePaddle和Tensorflow實現(xiàn)了圖像分類，分別用自己手寫的一個簡單的CNN網(wǎng)絡(luò)simple_cnn和LeNet-5的CNN網(wǎng)絡(luò)識別cifar-10數(shù)據(jù)集。在上周的實驗表現(xiàn)中，經(jīng)過200次迭代后的LeNet-5的準(zhǔn)確率為60%左右，這個結(jié)果差強(qiáng)人意，畢竟是二十年前寫的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)果簡單，層數(shù)也很少，這一節(jié)中我們講講在2012年的Image比賽中大放異彩的AlexNet，并用AlexNet對cifar-10數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，對比上周的LeNet-5的效果。

什么是AlexNet？

AlexNet在ILSVRC-2012的比賽中獲得top5錯誤率15.3%的突破（第二名為26.2%），其原理來源于2012年Alex的論文《ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks》，這篇論文是深度學(xué)習(xí)火爆發(fā)展的一個里程碑和分水嶺，加上硬件技術(shù)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)還會繼續(xù)火下去。

AlexNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于受限于當(dāng)時的硬件設(shè)備，AlexNet在GPU粒度都做了設(shè)計，當(dāng)時的GTX 580只有3G顯存，為了能讓模型在大量數(shù)據(jù)上跑起來，作者使用了兩個GPU并行，并對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做了切分，如下：

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Input輸入層

輸入為224×224×3的三通道RGB圖像，為方便后續(xù)計算，實際操作中通過padding做預(yù)處理，把圖像變成227×227×3。

C1卷積層

該層由：卷積操作 + Max Pooling + LRN（后面詳細(xì)介紹它）組成。

卷積層：由96個feature map組成，每個feature map由11×11卷積核在stride=4下生成，輸出feature map為55×55×48×2，其中55=(227-11)/4+1，48為分在每個GPU上的feature map數(shù)，2為GPU個數(shù)；

激活函數(shù)：采用ReLU；

Max Pooling：采用stride=2且核大小為3×3（文中實驗表明采用2×2的非重疊模式的Max Pooling相對更容易過擬合，在top 1和top 5下的錯誤率分別高0.4%和0.3%），輸出feature map為27×27×48×2，其中27=(55-3)/2+1，48為分在每個GPU上的feature map數(shù)，2為GPU個數(shù)；

LRN：鄰居數(shù)設(shè)置為5做歸一化。

最終輸出數(shù)據(jù)為歸一化后的：27×27×48×2。

C2卷積層

該層由：卷積操作 + Max Pooling + LRN組成

卷積層：由256個feature map組成，每個feature map由5×5卷積核在stride=1下生成，為使輸入和卷積輸出大小一致，需要做參數(shù)為2的padding，輸出feature map為27×27×128×2，其中27=(27-5+2×2)/1+1，128為分在每個GPU上的feature map數(shù)，2為GPU個數(shù)；

激活函數(shù)：采用ReLU；

Max Pooling：采用stride=2且核大小為3×3，輸出feature map為13×13×128×2，其中13=(27-3)/2+1，128為分在每個GPU上的feature map數(shù)，2為GPU個數(shù)；

LRN：鄰居數(shù)設(shè)置為5做歸一化。

最終輸出數(shù)據(jù)為歸一化后的：13×13×128×2。

C3卷積層

該層由：卷積操作 + LRN組成（注意，沒有Pooling層）

輸入為13×13×256，因為這一層兩個GPU會做通信（途中虛線交叉部分）

卷積層：之后由384個feature map組成，每個feature map由3×3卷積核在stride=1下生成，為使輸入和卷積輸出大小一致，需要做參數(shù)為1的padding，輸出feature map為13×13×192×2，其中13=(13-3+2×1)/1+1，192為分在每個GPU上的feature map數(shù)，2為GPU個數(shù)；

激活函數(shù)：采用ReLU；

最終輸出數(shù)據(jù)為歸一化后的：13×13×192×2。

C4卷積層

該層由：卷積操作 + LRN組成（注意，沒有Pooling層）

卷積層：由384個feature map組成，每個feature map由3×3卷積核在stride=1下生成，為使輸入和卷積輸出大小一致，需要做參數(shù)為1的padding，輸出feature map為13×13×192×2，其中13=(13-3+2×1)/1+1，192為分在每個GPU上的feature map數(shù)，2為GPU個數(shù)；

激活函數(shù)：采用ReLU；

最終輸出數(shù)據(jù)為歸一化后的：13×13×192×2。

C5卷積層

該層由：卷積操作 + Max Pooling組成

卷積層：由256個feature map組成，每個feature map由3×3卷積核在stride=1下生成，為使輸入和卷積輸出大小一致，需要做參數(shù)為1的padding，輸出feature map為13×13×128×2，其中13=(13-3+2×1)/1+1，128為分在每個GPU上的feature map數(shù)，2為GPU個數(shù)；

激活函數(shù)：采用ReLU；

Max Pooling：采用stride=2且核大小為3×3，輸出feature map為6×6×128×2，其中6=(13-3)/2+1，128為分在每個GPU上的feature map數(shù)，2為GPU個數(shù).

最終輸出數(shù)據(jù)為歸一化后的：6×6×128×2。

F6全連接層

該層為全連接層 + Dropout

使用4096個節(jié)點(diǎn)；

激活函數(shù)：采用ReLU；

采用參數(shù)為0.5的Dropout操作

最終輸出數(shù)據(jù)為4096個神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)。

F7全連接層

該層為全連接層 + Dropout

使用4096個節(jié)點(diǎn)；

激活函數(shù)：采用ReLU；

采用參數(shù)為0.5的Dropout操作

最終輸出為4096個神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)。

輸出層

該層為全連接層 + Softmax

使用1000個輸出的Softmax

最終輸出為1000個分類。

AlexNet的優(yōu)勢

1.使用了ReLu激活函數(shù)

----原始Relu-----

AlexNet引入了ReLU激活函數(shù)，這個函數(shù)是神經(jīng)科學(xué)家Dayan、Abott在《Theoretical Neuroscience》一書中提出的更精確的激活模型。原始的Relu激活函數(shù)（可參見 Hinton論文：《Rectified Linear Units Improve Restricted Boltzmann Machines》）我們比較熟悉，即max(0,x)

，這個激活函數(shù)把負(fù)激活全部清零（模擬上面提到的稀疏性），這種做法在實踐中即保留了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性能力，又加快了訓(xùn)練速度。但是這個函數(shù)也有缺點(diǎn)：

在原點(diǎn)不可微反向傳播的梯度計算中會帶來麻煩，所以Charles Dugas等人又提出Softplus來模擬上述ReLu函數(shù)（可視作其平滑版）：

實際上它的導(dǎo)數(shù)就是一個

過稀疏性

當(dāng)學(xué)習(xí)率設(shè)置不合理時，即使是一個很大的梯度，在經(jīng)過ReLu單元并更新參數(shù)后該神經(jīng)元可能永不被激活。

----Leaky ReLu----

為了解決上述過稀疏性導(dǎo)致的大量神經(jīng)元不被激活的問題，Leaky ReLu被提了出來：

其中α是人工制定的較小值（如：0.1），它一定程度保留了負(fù)激活信息。

還有很多其他的對于ReLu函數(shù)的改進(jìn)，如Parametric ReLu，Randomized ReLu等，此處就不再展開講了。

2.Local Response Normalization 局部響應(yīng)均值

LRN利用相鄰feature map做特征顯著化，文中實驗表明可以降低錯誤率，公式如下：

公式的直觀解釋如下：

由于α都是經(jīng)過了RELU的輸出，所以一定是大于0的，函數(shù)

取文中參數(shù)的圖像如下（橫坐標(biāo)為）:

當(dāng)值較小時，即當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和其鄰居節(jié)點(diǎn)輸出值差距不明顯且大家的輸出值都不太大，可以認(rèn)為此時特征間競爭激烈，該函數(shù)可以使原本差距不大的輸出產(chǎn)生顯著性差異且此時函數(shù)輸出不飽和

當(dāng)值值較大時，說明特征本身有顯著性差別但輸出值太大容易過擬合，該函數(shù)可以令最終輸出接近0從而緩解過擬合提高了模型泛化性。

3.Dropout

Dropout是文章亮點(diǎn)之一，屬于提高模型泛化性的方法，操作比較簡單，以一定概率隨機(jī)讓某些神經(jīng)元輸出設(shè)置為0，既不參與前向傳播也不參與反向傳播，也可以從正則化角度去看待它。(關(guān)于深度學(xué)習(xí)的正則化年初的時候在公司做過一個分享，下次直接把pdf放出來)

從模型集成的角度來看：

無Dropout網(wǎng)絡(luò)：

有Dropout網(wǎng)絡(luò)：

其中p為Dropout的概率（如p=0.5，即讓50%的神經(jīng)元隨機(jī)失活），n為所在的層。

它是極端情況下的Bagging，由于在每步訓(xùn)練中，神經(jīng)元會以某種概率隨機(jī)被置為無效，相當(dāng)于是參數(shù)共享的新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個模型為了使損失降低會盡可能學(xué)最“本質(zhì)”的特征，“本質(zhì)”可以理解為由更加獨(dú)立的、和其他神經(jīng)元相關(guān)性弱的、泛化能力強(qiáng)的神經(jīng)元提取出來的特征；而如果采用類似SGD的方式訓(xùn)練，每步迭代都會選取不同的數(shù)據(jù)集，這樣整個網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于是用不同數(shù)據(jù)集學(xué)習(xí)的多個模型的集成組合。

用PaddlePaddle實現(xiàn)AlexNet

1.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(alexnet.py)

這次我寫了兩個alextnet，一個加上了局部均值歸一化LRN，一個沒有加LRN，對比效果如何

#coding:utf-8 ''' Created by huxiaoman 2017.12.5 alexnet.py:alexnet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ''' import paddle.v2 as paddle import os with_gpu = os.getenv('WITH_GPU', '0') != '1' def alexnet_lrn(img): conv1 = paddle.layer.img_conv( input=img, filter_size=11, num_channels=3, num_filters=96, stride=4, padding=1) cmrnorm1 = paddle.layer.img_cmrnorm( input=conv1, size=5, scale=0.0001, power=0.75) pool1 = paddle.layer.img_pool(input=cmrnorm1, pool_size=3, stride=2) conv2 = paddle.layer.img_conv( input=pool1, filter_size=5, num_filters=256, stride=1, padding=2, groups=1) cmrnorm2 = paddle.layer.img_cmrnorm( input=conv2, size=5, scale=0.0001, power=0.75) pool2 = paddle.layer.img_pool(input=cmrnorm2, pool_size=3, stride=2) pool3 = paddle.networks.img_conv_group( input=pool2, pool_size=3, pool_stride=2, conv_num_filter=[384, 384, 256], conv_filter_size=3, pool_type=paddle.pooling.Max()) fc1 = paddle.layer.fc( input=pool3, size=4096, act=paddle.activation.Relu(), layer_attr=paddle.attr.Extra(drop_rate=0.5)) fc2 = paddle.layer.fc( input=fc1, size=4096, act=paddle.activation.Relu(), layer_attr=paddle.attr.Extra(drop_rate=0.5)) return fc2 def alexnet(img): conv1 = paddle.layer.img_conv( input=img, filter_size=11, num_channels=3, num_filters=96, stride=4, padding=1) cmrnorm1 = paddle.layer.img_cmrnorm( input=conv1, size=5, scale=0.0001, power=0.75) pool1 = paddle.layer.img_pool(input=cmrnorm1, pool_size=3, stride=2) conv2 = paddle.layer.img_conv( input=pool1, filter_size=5, num_filters=256, stride=1, padding=2, groups=1) cmrnorm2 = paddle.layer.img_cmrnorm( input=conv2, size=5, scale=0.0001, power=0.75) pool2 = paddle.layer.img_pool(input=cmrnorm2, pool_size=3, stride=2) pool3 = paddle.networks.img_conv_group( input=pool2, pool_size=3, pool_stride=2, conv_num_filter=[384, 384, 256], conv_filter_size=3, pool_type=paddle.pooling.Max()) fc1 = paddle.layer.fc( input=pool3, size=4096, act=paddle.activation.Relu(), layer_attr=paddle.attr.Extra(drop_rate=0.5)) fc2 = paddle.layer.fc( input=fc1, size=4096, act=paddle.activation.Relu(), layer_attr=paddle.attr.Extra(drop_rate=0.5)) return fc3

2.訓(xùn)練代碼（train_alexnet.py）

#coding:utf-8 ''' Created by huxiaoman 2017.12.5 train_alexnet.py:訓(xùn)練alexnet對cifar10數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類 ''' import sys, os import paddle.v2 as paddle #alex模型為不帶LRN的 from alexnet import alexnet #alexnet_lrn為帶有l(wèi)rn的 #from alextnet import alexnet_lrn with_gpu = os.getenv('WITH_GPU', '0') != '1' def main(): datadim = 3 * 32 * 32 classdim = 10 # PaddlePaddle init paddle.init(use_gpu=with_gpu, trainer_count=7) image = paddle.layer.data( name="image", type=paddle.data_type.dense_vector(datadim)) # Add neural network config # option 1. resnet # net = resnet_cifar10(image, depth=32) # option 2. vgg #net = alexnet_lrn(image) net = alexnet(image) out = paddle.layer.fc( input=net, size=classdim, act=paddle.activation.Softmax()) lbl = paddle.layer.data( name="label", type=paddle.data_type.integer_value(classdim)) cost = paddle.layer.classification_cost(input=out, label=lbl) # Create parameters parameters = paddle.parameters.create(cost) # Create optimizer momentum_optimizer = paddle.optimizer.Momentum( momentum=0.9, regularization=paddle.optimizer.L2Regularization(rate=0.0002 * 128), learning_rate=0.1 / 128.0, learning_rate_decay_a=0.1, learning_rate_decay_b=50000 * 100, learning_rate_schedule='discexp') # End batch and end pass event handler def event_handler(event): if isinstance(event, paddle.event.EndIteration): if event.batch_id % 100 == 0: print "\nPass %d, Batch %d, Cost %f, %s" % ( event.pass_id, event.batch_id, event.cost, event.metrics) else: sys.stdout.write('.') sys.stdout.flush() if isinstance(event, paddle.event.EndPass): # save parameters with open('params_pass_%d.tar' % event.pass_id, 'w') as f: parameters.to_tar(f) result = trainer.test( reader=paddle.batch( paddle.dataset.cifar.test10(), batch_size=128), feeding={'image': 0, 'label': 1}) print "\nTest with Pass %d, %s" % (event.pass_id, result.metrics) # Create trainer trainer = paddle.trainer.SGD( cost=cost, parameters=parameters, update_equation=momentum_optimizer) # Save the inference topology to protobuf. inference_topology = paddle.topology.Topology(layers=out) with open("inference_topology.pkl", 'wb') as f: inference_topology.serialize_for_inference(f) trainer.train( reader=paddle.batch( paddle.reader.shuffle( paddle.dataset.cifar.train10(), buf_size=50000), batch_size=128), num_passes=200, event_handler=event_handler, feeding={'image': 0, 'label': 1}) # inference from PIL import Image import numpy as np import os def load_image(file): im = Image.open(file) im = im.resize((32, 32), Image.ANTIALIAS) im = np.array(im).astype(np.float32) im = im.transpose((2, 0, 1)) # CHW im = im[(2, 1, 0), :, :] # BGR im = im.flatten() im = im / 255.0 return im test_data = [] cur_dir = os.path.dirname(os.path.realpath(__file__)) test_data.append((load_image(cur_dir + '/image/dog.png'), )) probs = paddle.infer( output_layer=out, parameters=parameters, input=test_data) lab = np.argsort(-probs) # probs and lab are the results of one batch data print "Label of image/dog.png is: %d" % lab[0][0] if __name__ == '__main__': main()

用Tensorflow實現(xiàn)AlexNet

1.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

def inference(images): ''' Alexnet模型 輸入：images的tensor 返回：Alexnet的最后一層卷積層 ''' parameters = [] # conv1 with tf.name_scope('conv1') as scope: kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([11, 11, 3, 64], dtype=tf.float32, stddev=1e-1), name='weights') conv = tf.nn.conv2d(images, kernel, [1, 4, 4, 1], padding='SAME') biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[64], dtype=tf.float32), trainable=True, name='biases') bias = tf.nn.bias_add(conv, biases) conv1 = tf.nn.relu(bias, name=scope) print_activations(conv1) parameters += [kernel, biases] # lrn1 with tf.name_scope('lrn1') as scope: lrn1 = tf.nn.local_response_normalization(conv1, alpha=1e-4, beta=0.75, depth_radius=2, bias=2.0) # pool1 pool1 = tf.nn.max_pool(lrn1, ksize=[1, 3, 3, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='VALID', name='pool1') print_activations(pool1) # conv2 with tf.name_scope('conv2') as scope: kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([5, 5, 64, 192], dtype=tf.float32, stddev=1e-1), name='weights') conv = tf.nn.conv2d(pool1, kernel, [1, 1, 1, 1], padding='SAME') biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[192], dtype=tf.float32), trainable=True, name='biases') bias = tf.nn.bias_add(conv, biases) conv2 = tf.nn.relu(bias, name=scope) parameters += [kernel, biases] print_activations(conv2) # lrn2 with tf.name_scope('lrn2') as scope: lrn2 = tf.nn.local_response_normalization(conv2, alpha=1e-4, beta=0.75, depth_radius=2, bias=2.0) # pool2 pool2 = tf.nn.max_pool(lrn2, ksize=[1, 3, 3, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='VALID', name='pool2') print_activations(pool2) # conv3 with tf.name_scope('conv3') as scope: kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([3, 3, 192, 384], dtype=tf.float32, stddev=1e-1), name='weights') conv = tf.nn.conv2d(pool2, kernel, [1, 1, 1, 1], padding='SAME') biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[384], dtype=tf.float32), trainable=True, name='biases') bias = tf.nn.bias_add(conv, biases) conv3 = tf.nn.relu(bias, name=scope) parameters += [kernel, biases] print_activations(conv3) # conv4 with tf.name_scope('conv4') as scope: kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([3, 3, 384, 256], dtype=tf.float32, stddev=1e-1), name='weights') conv = tf.nn.conv2d(conv3, kernel, [1, 1, 1, 1], padding='SAME') biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[256], dtype=tf.float32), trainable=True, name='biases') bias = tf.nn.bias_add(conv, biases) conv4 = tf.nn.relu(bias, name=scope) parameters += [kernel, biases] print_activations(conv4) # conv5 with tf.name_scope('conv5') as scope: kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([3, 3, 256, 256], dtype=tf.float32, stddev=1e-1), name='weights') conv = tf.nn.conv2d(conv4, kernel, [1, 1, 1, 1], padding='SAME') biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[256], dtype=tf.float32), trainable=True, name='biases') bias = tf.nn.bias_add(conv, biases) conv5 = tf.nn.relu(bias, name=scope) parameters += [kernel, biases] print_activations(conv5) # pool5 pool5 = tf.nn.max_pool(conv5, ksize=[1, 3, 3, 1], strides=[1, 2, 2, 1], padding='VALID', name='pool5') print_activations(pool5) return pool5, parameters

完整代碼可見：alexnet_tf.py

實驗結(jié)果對比

三個代碼跑完后，對比了一下實驗結(jié)果，如圖所示：

可以看到，在batch_size，num_epochs，devices和thread數(shù)都相同的條件下，加了LRN的paddlepaddle版的alexnet網(wǎng)絡(luò)結(jié)果效果最好，而時間最短的是不加LRN的alexnet，在時間和精度上都比較平均的是tensorflow版的alexnet，當(dāng)然，tf版的同樣加了LRN，所以LRN對于實驗效果還是有一定提升的。

總結(jié)

AlexNet在圖像分類中是一個比較重要的網(wǎng)絡(luò)，在學(xué)習(xí)的過程中不僅要學(xué)會寫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，知道每一層的結(jié)構(gòu)，更重要的是得知道為什么要這樣設(shè)計，這樣設(shè)計有什么好處，如果對某些參數(shù)進(jìn)行一些調(diào)整結(jié)果會有什么變化？為什么會產(chǎn)生這樣的變化。在實際應(yīng)用中，如果需要對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做一些調(diào)整，應(yīng)該如何調(diào)整使得網(wǎng)絡(luò)更適合我們的實際數(shù)據(jù)？這些才是我們關(guān)心的。也是面試中常常會考察的點(diǎn)。昨天面試了一位工作五年的算法工程師，問道他在項目中用的模型是alexnet，對于alexnet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不是非常清楚，如果要改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不知道如何改，這樣其實不好，僅僅把模型跑通只是第一步，后續(xù)還有很多工作要做，這也是作為算法工程師的價值體現(xiàn)之一。本文對于alexnet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參考我之前的領(lǐng)導(dǎo)寫的文章，如過有什么不懂的可以留言。