AlexNet-深度卷积神经网络(CNN卷积神经网络)

深度卷积神经网络（AlexNet）

2012年，AlexNet横空出世。它首次证明了学习到的特征可以超越出手工设计的特征。

它一举打破了计算机视觉研究的现状。 AlexNet使用了8层卷积神经网络，并以很大的优势赢得了2012年ImageNet图像识别挑战赛。

AlexNet

AlexNet和LeNet的架构非常相似，如下图所示。 注意，这里我们提供了一个稍微精简版本的AlexNet，去除了当年需要两个小型GPU同时运算的设计特点。

AlexNet 和 LeNet 的设计理念非常相似，但也存在显著差异。 首先，AlexNet 比相对较小的 LeNet5 要深得多。 AlexNet 由八层组成：五个卷积层、两个全连接隐藏层和一个全连接输出层。 其次，AlexNet 使用 ReLU 而不是 sigmoid 作为其激活函数。 下面，让我们深入研究 AlexNet 的细节。

模型说明

在AlexNet的第一层，卷积窗口的形状是 11 × 11 11 \times 11 11×11 。 由于ImageNet中大多数图像的宽和高比MNIST图像的多10倍以上，因此，需要一个更大的卷积窗口来捕获目标。 第二层中的卷积窗口形状被缩减为 5 × 5 5 \times 5 5×5 ，然后是 3 × 3 3 \times 3 3×3 。 此外，在第一层、第二层和第五层卷积层之后，加入窗口形状为 3 × 3 3 \times 3 3×3 、步幅为2的最大汇聚层。 而且，AlexNet的卷积通道数目是LeNet的10倍。

在最后一个卷积层后有两个全连接层，分别有4096个输出。 这两个巨大的全连接层拥有将近1GB的模型参数。 由于早期GPU显存有限，原版的AlexNet采用了双数据流设计，使得每个GPU只负责存储和计算模型的一半参数。 幸运的是，现在GPU显存相对充裕，所以我们现在很少需要跨GPU分解模型（因此，我们的AlexNet模型在这方面与原始论文稍有不同）。

激活函数选定

此外，AlexNet将sigmoid激活函数改为更简单的ReLU激活函数。

一方面，ReLU激活函数的计算更简单，它不需要如sigmoid激活函数那般复杂的求幂运算。

另一方面，当使用不同的参数初始化方法时，ReLU激活函数使训练模型更加容易。 当sigmoid激活函数的输出非常接近于0或1时，这些区域的梯度几乎为0，因此反向传播无法继续更新一些模型参数。 相反，ReLU激活函数在正区间的梯度总是1。 因此，如果模型参数没有正确初始化，sigmoid函数可能在正区间内得到几乎为0的梯度，从而使模型无法得到有效的训练。

模型定义

现在我们根据上图来构建 AlexNet卷积神经网络。

相对于LeNet模型，我们做了以下的改变:

1、增加了卷积层的数量，现在AlexNet卷积神经网络具有5个卷积层。

2、使用了非线性激活函数ReLU()激活函数，更好应用模型的优化方法。

3、添加了暂退法Dropout来减少模型的过拟合，降低模型复杂度。

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

net = nn.Sequential(
    # 这里，我们使用一个11*11的更大窗口来捕捉对象。
    # 同时，步幅为4，以减少输出的高度和宽度。
    # 另外，输出通道的数目远大于LeNet
    nn.Conv2d(1, 96, kernel_size=11, stride=4, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    # 减小卷积窗口，使用填充为2来使得输入与输出的高和宽一致，且增大输出通道数
    nn.Conv2d(96, 256, kernel_size=5, padding=2), nn.ReLU(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    # 使用三个连续的卷积层和较小的卷积窗口。
    # 除了最后的卷积层，输出通道的数量进一步增加。
    # 在前两个卷积层之后，汇聚层不用于减少输入的高度和宽度
    nn.Conv2d(256, 384, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.Conv2d(384, 384, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.Conv2d(384, 256, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    nn.Flatten(),
    # 这里，全连接层的输出数量是LeNet中的好几倍。使用dropout层来减轻过拟合
    nn.Linear(6400, 4096), nn.ReLU(),
    nn.Dropout(p=0.5),
    nn.Linear(4096, 4096), nn.ReLU(),
    nn.Dropout(p=0.5),
    # 最后是输出层。由于这里使用Fashion-MNIST，所以用类别数为10，而非论文中的1000
    nn.Linear(4096, 10))

我们构造一个高度和宽度都为224的单通道数据，来观察每一层输出的形状。 它与下图中的 AlexNet架构 相匹配。

X = torch.randn(1, 1, 224, 224)
for layer in net:
    X=layer(X)
    print(layer.__class__.__name__,'output shape:\t',X.shape)

Conv2d output shape:	 torch.Size([1, 96, 54, 54])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 96, 54, 54])
MaxPool2d output shape:	 torch.Size([1, 96, 26, 26])
Conv2d output shape:	 torch.Size([1, 256, 26, 26])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 256, 26, 26])
MaxPool2d output shape:	 torch.Size([1, 256, 12, 12])
Conv2d output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
Conv2d output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
Conv2d output shape:	 torch.Size([1, 256, 12, 12])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 256, 12, 12])
MaxPool2d output shape:	 torch.Size([1, 256, 5, 5])
Flatten output shape:	 torch.Size([1, 6400])
Linear output shape:	 torch.Size([1, 4096])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Dropout output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Linear output shape:	 torch.Size([1, 4096])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Dropout output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Linear output shape:	 torch.Size([1, 10])

读取数据集

尽管本文中AlexNet是在ImageNet上进行训练的，但我们在这里使用的是Fashion-MNIST数据集。因为即使在现代GPU上，训练ImageNet模型，同时使其收敛可能需要数小时或数天的时间。 将AlexNet直接应用于Fashion-MNIST的一个问题是，Fashion-MNIST图像的分辨率（ 28 × 28 28 \times 28 28×28 像素）低于ImageNet图像。 为了解决这个问题，我们将它们增加到 224 × 224 224 \times 224 224×224 （通常来讲这不是一个明智的做法，但我们在这里这样做是为了有效使用AlexNet架构）。 我们使用d2l.load_data_fashion_mnist函数中的resize参数执行此调整。

batch_size = 128
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=224)

训练AlexNet

现在，我们可以开始训练AlexNet了。与之前的LeNet相比，这里的主要变化是使用更小的学习速率训练，这是因为网络更深更广、图像分辨率更高，训练卷积神经网络就更昂贵。

lr, num_epochs = 0.01, 10
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())

可以发现，AlexNet 神经网络模型相对于LeNet模型(train:0.82, test: 0.78)有了明显的提升。

小结

1、AlexNet的架构与LeNet相似，但使用了更多的卷积层和更多的参数来拟合大规模的ImageNet数据集。

2、今天，AlexNet已经被更有效的架构所超越，但它是从浅层网络到深层网络的关键一步。

3、尽管AlexNet的代码只比LeNet多出几行，但学术界花了很多年才接受深度学习这一概念，并应用其出色的实验结果。这也是由于缺乏有效的计算工具。

4、Dropout、ReLU和预处理是提升计算机视觉任务性能的其他关键步骤。