深度学习之经典网络架构AlexNet(二)

一、简介

AlexNet是2012年ImageNet竞赛冠军获得者Hinton和他的学生Alex Krizhevsky设计的。也是在那年之后，更多的更深的神经网路被提出，比如优秀的vgg,GoogleLeNet。其官方提供的数据模型，准确率达到57.1%,top 1-5 达到80.2%. 这项对于传统的机器学习分类算法而言，已经相当的出色。

二、网络结构

上图所示是caffe中alexnet的网络结构，上图采用是两台GPU服务器，所有会看到两个流程图。下边把AlexNet的网络结构示意一下：

简化的结构为：

AlexNet为啥取得比较好的结果呢？

**1. 使用了Relu激活函数。**

Relu函数：f(x)=max(0,x)

基于ReLU的深度卷积网络比基于tanh和sigmoid的网络训练快数倍，下图是一个基于CIFAR-10的四层卷积网络在tanh和ReLU达到25%的training error的迭代次数；

2. 标准化（Local Response Normalization）

使用ReLU f(x)=max(0,x)后，你会发现激活函数之后的值没有了tanh、sigmoid函数那样有一个值域区间，所以一般在ReLU之后会做一个normalization，LRU就是稳重提出（这里不确定，应该是提出？）一种方法，在神经科学中有个概念叫“Lateral inhibition”，讲的是活跃的神经元对它周边神经元的影响。

3. Dropout

Dropout也是经常说的一个概念，能够比较有效地防止神经网络的过拟合。相对于一般如线性模型使用正则的方法来防止模型过拟合，而在神经网络中Dropout通过修改神经网络本身结构来实现。对于某一层神经元，通过定义的概率来随机删除一些神经元，同时保持输入层与输出层神经元的个人不变，然后按照神经网络的学习方法进行参数更新，下一次迭代中，重新随机删除一些神经元，直至训练结束。

4. 数据增强（data augmentation）

在深度学习中，当数据量不够大时候，一般有4解决方法：

data augmentation——人工增加训练集的大小——通过平移, 翻转, 加噪声等方法从已有数据中创造出一批"新"的数据
Regularization——数据量比较小会导致模型过拟合, 使得训练误差很小而测试误差特别大. 通过在Loss Function 后面加上正则项可以抑制过拟合的产生. 缺点是引入了一个需要手动调整的hyper-parameter。
Dropout——也是一种正则化手段. 不过跟以上不同的是它通过随机将部分神经元的输出置零来实现
Unsupervised Pre-training——用Auto-Encoder或者RBM的卷积形式一层一层地做无监督预训练, 最后加上分类层做有监督的Fine-Tuning

三、tensorflow代码实现

# -*- coding=UTF-8 -*-
import sys
import os
import random
import cv2
import math
import time
import numpy as np
import tensorflow as tf
import linecache
import string
import skimage
import imageio
# 输入数据
import input_data
mnist = input_data.read_data_sets("/tmp/data/", one_hot=True)
# 定义网络超参数
learning_rate = 0.001
training_iters = 200000
batch_size = 64
display_step = 20
# 定义网络参数
n_input = 784  # 输入的维度
n_classes = 10 # 标签的维度
dropout = 0.8  # Dropout 的概率
# 占位符输入
x = tf.placeholder(tf.types.float32, [None, n_input])
y = tf.placeholder(tf.types.float32, [None, n_classes])
keep_prob = tf.placeholder(tf.types.float32)
# 卷积操作
def conv2d(name, l_input, w, b):return tf.nn.relu(tf.nn.bias_add( \tf.nn.conv2d(l_input, w, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME'),b) \, name=name)
# 最大下采样操作
def max_pool(name, l_input, k):return tf.nn.max_pool(l_input, ksize=[1, k, k, 1], \strides=[1, k, k, 1], padding='SAME', name=name)
# 归一化操作
def norm(name, l_input, lsize=4):return tf.nn.lrn(l_input, lsize, bias=1.0, alpha=0.001 / 9.0, beta=0.75, name=name)
# 定义整个网络
def alex_net(_X, _weights, _biases, _dropout):_X = tf.reshape(_X, shape=[-1, 28, 28, 1]) # 向量转为矩阵# 卷积层conv1 = conv2d('conv1', _X, _weights['wc1'], _biases['bc1'])# 下采样层pool1 = max_pool('pool1', conv1, k=2)# 归一化层norm1 = norm('norm1', pool1, lsize=4)# Dropoutnorm1 = tf.nn.dropout(norm1, _dropout)# 卷积conv2 = conv2d('conv2', norm1, _weights['wc2'], _biases['bc2'])# 下采样pool2 = max_pool('pool2', conv2, k=2)# 归一化norm2 = norm('norm2', pool2, lsize=4)# Dropoutnorm2 = tf.nn.dropout(norm2, _dropout)# 卷积conv3 = conv2d('conv3', norm2, _weights['wc3'], _biases['bc3'])# 下采样pool3 = max_pool('pool3', conv3, k=2)# 归一化norm3 = norm('norm3', pool3, lsize=4)# Dropoutnorm3 = tf.nn.dropout(norm3, _dropout)# 全连接层，先把特征图转为向量dense1 = tf.reshape(norm3, [-1, _weights['wd1'].get_shape().as_list()[0]]) dense1 = tf.nn.relu(tf.matmul(dense1, _weights['wd1']) + _biases['bd1'], name='fc1') # 全连接层dense2 = tf.nn.relu(tf.matmul(dense1, _weights['wd2']) + _biases['bd2'], name='fc2') # Relu activation# 网络输出层out = tf.matmul(dense2, _weights['out']) + _biases['out']return out# 存储所有的网络参数
weights = {'wc1': tf.Variable(tf.random_normal([3, 3, 1, 64])),'wc2': tf.Variable(tf.random_normal([3, 3, 64, 128])),'wc3': tf.Variable(tf.random_normal([3, 3, 128, 256])),'wd1': tf.Variable(tf.random_normal([4*4*256, 1024])),'wd2': tf.Variable(tf.random_normal([1024, 1024])),'out': tf.Variable(tf.random_normal([1024, 10]))
}
biases = {'bc1': tf.Variable(tf.random_normal([64])),'bc2': tf.Variable(tf.random_normal([128])),'bc3': tf.Variable(tf.random_normal([256])),'bd1': tf.Variable(tf.random_normal([1024])),'bd2': tf.Variable(tf.random_normal([1024])),'out': tf.Variable(tf.random_normal([n_classes]))
}
# 构建模型
pred = alex_net(x, weights, biases, keep_prob)
# 定义损失函数和学习步骤
cost = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(pred, y))
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=learning_rate).minimize(cost)
# 测试网络
correct_pred = tf.equal(tf.argmax(pred,1), tf.argmax(y,1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred, tf.float32))
# 初始化所有的共享变量
init = tf.initialize_all_variables()
# 开启一个训练
with tf.Session() as sess:sess.run(init)step = 1# Keep training until reach max iterationswhile step * batch_size < training_iters:batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(batch_size)# 获取批数据sess.run(optimizer, feed_dict={x: batch_xs, y: batch_ys, keep_prob: dropout})if step % display_step == 0:# 计算精度acc = sess.run(accuracy, feed_dict={x: batch_xs, y: batch_ys, keep_prob: 1.})# 计算损失值loss = sess.run(cost, feed_dict={x: batch_xs, y: batch_ys, keep_prob: 1.})print "Iter " + str(step*batch_size) + ", Minibatch Loss= " + "{:.6f}".format(loss) + ", Training Accuracy= " + "{:.5f}".format(acc)step += 1print "Optimization Finished!"# 计算测试精度print "Testing Accuracy:", sess.run(accuracy, feed_dict={x: mnist.test.images[:256], y: m