深度学习知识图谱笔记

最近花了几天时间对目前常用神经网络模型(backbone)，生成对抗GAN，模型压缩，NPL，距离计算，优化器进行了分类整理，用简短的几句话对相关特性进行了总结描述，如有误请指正，方便强化记忆，供学习、选型、面试。详细组件功能介绍请参考其它博文。

没有什么是一张图解决不了的，如果有就再画一张

1 神经网络模型(backbone)

2 生成对抗

3 模型压缩

4 NPL

5 距离计算

6 常用名词

7 优化器

8 强化学习

1 神经网络模型(backbone)

1.1 Deeper(更深层次的网络)
   LeNet-5 卷积始祖,结构：卷积+池化+卷积+池化+卷积+全连接+全连接
   AlexNet
       创新点：采用ReLU激活函数代替Sigmoid,Dropout
       局部相应归一化、扩增数据、分卡训练
   ZFNet
       卷积可视化始祖
       滤波器尺寸更小
   VGGNet
       结构简洁：5层卷积层,3层全连接层、softmax输出层构成
       创新点：小卷积核和多卷积核,VGG使用多个较小卷积核(3x3)
       两个3x3相当于一个5x5
       LRN层无性能增益
   ResNet
       创新点：shortcut,分为Basic block和bottle block
       一是导数总比原导数加1,解决梯度消失
       二是y=f(x)+x式子中引入了恒等映射,解决了深度增加时神经网络退化
       第一个卷积层采用7x7的大卷积核,更大的感受野,获取图片更多的初始特征
   DenseNet
       创新点:密集连接方式,DenseNet提升了梯度的反向传播,使得网络更容易训练
       DenseNet网络包包括Dense Block和Transition layer两个基础模块
       参数更小且计算更高效(concatenate来实现特征复用,计算量很小)
       由于特征复用,分类器使用到了低级特征,需要较大的显存才能运行

1.2 Module(模块化网络)
   GoogleNet V1
       创新点：Inception 模块化,采用不同大小的卷积核不同尺度的特征融合
       加深的基础上进行加宽,稀疏网络结构
       采用1x1卷积,一是减少维度来减少参数和计算量,二是修正线性激活,
       增加非线性拟合能力(每个1x1后都有ReLU激活函数)
       采用辅助分类器：一是为了避免梯度消失,用于向前传导梯度,
       二是将中间某一层输出用作分类,起到模型融合作用
       用Global Ave Pool取代了FC,防止过拟合作用
   GoogleNet V2
       借鉴VGG,用两个3x3卷积代替一个5x5卷积
       将滤波器大小nxn的卷积分解为1xn和nx1卷积的组合
   GoogleNet V3
       采用RMSProp优化器
   GoogleNet V4
       利用残差网络(ResNet)来改进V3

1.3 Faster(更快的网络)
   Squeeze Net
       创新点：基础单元是Fire Module,多个Fire Module堆叠,
       Fire Module又包括两个部分：squeeze layer和Expand layer
       多使用1x1的卷积,少使用3x3的卷积(Idea from GoogleNet),减少channel的数量
       将降采样后置,即推迟使用Pooling从而增加感受野
   MobileNet
       MobileNet V1
           深度卷积：将卷积拆分为单通道的形式
           逐点卷积：即1x1卷积,对深度卷积得到的特征图进行升维
           引入宽度α和分辨率缩放因子
       MobileNet V2
           Linear bottleneck:去掉卷积单元中最后一个ReLU函数
           Inverted residual:先升维,卷积,降维
   shuffle Net
       shuffleNet V1
           group convolution(分组卷积)：将输入特征图按通道数分组,
           用不同的卷积核分别进行卷积
           channel shuffle(通道混洗):对分组卷积之后的特征图的排列顺序
           进行打乱排列reshape--transpose--flatten
       shuffleNet V2
           卷积层的输入和输出特征通道数相等时MAC最小,此时模型速度最快
           过多group操作会增大MAC,从而使模型速度变慢
           模型中的分支数量越少,模型速度越快
           尽可能减少element-wise操作
   LightCNN 提出了MFM的一种新的特征图融合方法,在特征提取效果和特征提取速率方面取得了很大的进步
1.4 Functional(功能性网络)
   检测
       x-RCNN
           RCNN 1.SS提取RP；2.CNN提取特征；3.SVM分类；4.BB盒回归
           Fast RCNN 1.SS提取RP；2.CNN提取特征,加入ROI Pooling层；3.softmax分类；4.多任务损失函数边框回归
           Faster RCNN
               1.RPN提取RP；2.CNN提取特征,加入ROI Pooling层；3.softmax分类；4.多任务损失函数边框回归
               RPN(Region Proposal Network)
                   1.anchor生成(一个概率值和四个坐标值)；
                   2.框回归,根据IOU初次筛选；
                   3.NMS(非极大值抑制)再次筛选得到Proposal框
               RIO pooling
                   根据输入image,将region proposal映射到feature map对应位置
                   将映射后的区域划分为相同大小的sections(sections数量与输出维度相同,根据输出取整)
                   对每个sections进行max pooling操作
       YOLO
           YOLO V1
               检测变为回归问题
               整张图划为7x7,每个格子预测两个目标,输出置信度和坐标位置,
               没有使用Region proposal,小目标效果不好
           YOLO V2
               引入自定义darknet分类网络
               引入anchor思想,产生多个boundingboxes先验框
               使用k-Means聚类方法来训练boundingboxes
           YOLO V3
               从v2的darknet-19 到v3 darknet-53
               AnchorBoxes数目从v2中的5个提升到v3中的9个
               用Logistic分类器替换softmax分类器
               增加特征融合
       SSD
           基于Faster RCNN中的Anchor提出了相似的Prior box,一般是4~6个,在不同尺度的feature map
           加入基于特征金字塔,继承将检测转变为回归问题
           整张图8x8网格+anchor+FCN,多尺度特征融合,
           不同层的feature map 3x3滑动窗感受野不同,作为不同尺度检测
       FPN(Feature Pyramid Network)
           目标分离：浅层目标简单位置准确,深层目标复杂位置粗略,
           浅层特征关注纹理特征,深层网络关注网路本质特征；
           将处理过的低层特征Layer2和处理过的高层特征Layer4进行累加,结合bottom-up与top-down,
           横向连接(lateral-connection)方法获得较强语义连接
       RetinaNet
           组成：ResNet-50+PFN
           引入focal loss
   分割：判断图像每个像素点的类别
       Mask RCNN
           ResNet+FPN+RPN+RoI
               head+FCN+Mask
               Coordinates-reg
               Category-cls
           FCN
               全卷积:以卷积代替全连接匹配任意尺寸输入图片
               skip Architecture:FCN-32s/16s/8s
               Upsampling:反卷积
       UNet
           前半部分特征提取生成224x224,112x112,56x56,28x28,14x14;后半部分往回上采样+concat
           U-net通过通道数的拼接,FCN是通过特征图对应像素值相加融合特征
       ENet
           包括7个阶段,每个阶段又类似ResNet的bottleneck模块组成,
           1-3属于编码阶段,5-7属于解码阶段,4阶段为中间过度
           使用了更大的编码结构和更小的解码结构；使用PReLU替代ReLU激活函数,使用空间dropout

2 生成对抗

2.1 DCGAN(Deep Convolutional GAN)
   引入卷积增加生成图片的质量
2.2 WGAN(Wasserstein GAN)
   利用Wasserstein-1距离,从目标函数的角度出发来提高模型的表现,在理论上解决了梯度消失问题
2.3 WGAN-GP(gradient penalty)
   用正则化的形式表达了对判别器的约束,具有强大的稳定性,几乎不需要调参,训练成功率极高
2.4 LSGAN(least square GAN)
   用散度x^2取代了朴素GAN的jensen-Shannon散度,提高了生成数据的质量和多样性
2.5 EBGAN(Energy-base GAN)
   对D的架构采用自动编码器的模式
2.6 BEGAN(Boundary Equilibrium GAN)
   基于EBGAN通过超参∈[0,1]来放宽均衡点
2.7 CGAN(conditional GAN)
   生成指定标签的数据
2.8 InfoGAN
   从噪声z中拆分出结构化的隐含编码c的方法,使得生成的过程具有一定的可控性
2.9 Pix2Pix
   用于图像翻译领域,训练需要相互配对的图片x与y
2.10 CycleGAN
   不需要配对的两个场景的相互映射,实现了图像间的相互转换
2.12 StarGAN
   将两两映射变多个领域之间的映射

3 模型压缩

3.1 模型剪枝
   减少head的数量和去除作用较少的层,共享参数
3.2 量化
   比如讲float32 降到 int8
3.3 知识蒸馏
   目标蒸馏
       Hard-Target/Soft-Target
       蒸馏温度的高低决定对负标签的关注程度
       Matching logits
   特征蒸馏
       第一阶段隐藏层学习
       第二阶段目标学习
3.4 参数共享
   如ALBERT 共享了Transforner层
3.5 参数矩阵近似
   矩阵的低秩分解

4 NPL

4.1 常见网络
   RNN
       有多个时刻输入时,网络层次比较深,根据链式法则则更容易出现梯度爆炸
   LSTM
       输入门、遗忘门、记忆门、输出门
   GRU
       重置门决定了如何将新的输入信息与前面的记忆相结合,
       更新门定义了前面记忆保存到当前时间的量,相比LSTM参数更少
   Transform
       由于RNN要求输出≤输入；
       encode-decode引入中间量C解决,但多个转换为一个存在表达不丰富丢失原信息
       多头自注意力机制和规范化层以及一个残差连接
       编码：词编码、句子编码、位置编码
   Bert
4.2 词汇表征
   Word2Vec
       CBOW适用于小型数据库,由上下文推出单个词--完型填空
           权重矩阵(look up table)
       Skim-gram适用于小型语料库,由单个词推出上下文--造句
   Doc2Vec
4.3 搜索评价
   beam search
       是对贪心策略一个改进,就是稍微放宽一些考察的范围K
   BLEU
       N-gram的匹配度、召回率、惩罚因子

5 距离计算

5.1 信息量、熵
   信息量的期望就是熵
   熵为什么是对数形式
       概率越低信息量越大；概率越高信息量越低
       多个事件同时发生的概率相乘是多个信息量相加的和
       对数函数是上凸的,期望函数也是上凸的
5.2 lipschitz约束
   f(x1)-f(x2)≤C|x1-x2|
5.3 交叉熵
   KL散度-目标分布熵=交叉熵 (目标熵为常数)
5.4 KL散度(相对熵,信息增益)
   两个概率分布P和Q差异的度量
   非对称,不满足三角不等式
5.5 JS散度
   两个概率分布的相似度
   对称的,其取值是0到1
   解决没有重叠的两个分布梯度消失问题
5.6 Wasserstein 距离
   两个概率分布之间的距离,样本对距离的期望E(x,y)下界
   当两个概率重叠非常少,仍然能反映两个分布的远近,
   而JS散度在此情况下是常量,KL散度可能无意义

6 常用名词

6.1 非对称卷积
每一个nxn的卷积都可以分解为nx1何1xn的两层卷积核
6.2 空洞卷积(Dilated Convolution)
在标准卷积里插入空值以增加感受野,空洞为扩张率-1,应用HDC设计结构

7 优化器

7.1 SGD
   缺点：
       对所有的参数更新使用同样的learning rate,选择合适的learning rate比较困难
       SGD容易收敛到局部最优
7.2 Momentum
   优点：下降初期,抑制振荡,从而加快收敛
   缺点：下降中后期时,在局部最小值来回震荡的时候
7.3 Adagrad
   优点：
       前期gt较小的时候,regularizer较大,能够放大梯度
       后期gt较大的时候,regularizer较小,能够约束梯度
       适合处理稀疏梯度
   缺点：
       仍依赖于人工设置一个全局学习率
       中后期,分母上梯度平方的累加将会越来越大,使梯度趋向于0,使得训练提前结束
7.4 Adadelta
   特点：
       训练初中期,加速效果不错,很快
       训练后期,反复在局部最小值附近抖动
7.5 RMSprop
   特点：
       其实RMSprop依然依赖于全局学习率
       RMSprop算是Adagrad的一种发展,和Adadelta的变体,效果趋于二者之间
       适合处理非平稳目标 - 对于RNN效果很好
7.6 Adam
   特点：
       结合了Adagrad善于处理稀疏梯度和RMSprop善于处理非平稳目标的优点
       对内存需求较小
       为不同的参数计算不同的自适应学习率
       也适用于大多非凸优化 - 适用于大数据集和高维空间

8 强化学习

8.1 学习方式
   在线学习
       Sarsa
   离线学习
       Q learning
8.2 优化方向
   基于概率
       Policy Gradients
   基于价值
       Q learning和Sarsa
   基于概率和价值
       Actor-Critic
8.3 融合网络
   DQN

【参考】

https://www.cnblogs.com/silence-cho/p/11620863.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/22252270

https://mofanpy.com/

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