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深度学习|卷积神经网络 AlexNet详解

深度学习卷积神经网络caffe

摘要：本文总结了AlexNet的技术要点，详细剖析了AlexNet神经网络每一层的输入输出等，并将caffe中AlexNet网络的对应部署列了出来。
1.AlexNet的技术要点
（1）双GPU并行计算：该网络采用了两块GPU计算，将卷积核分成两部分分别在GPU上运行。
（2）ReLU激活函数：LeNet采用的是sigmoid激活函数，因sigmoid函数在饱和阶段(函数两端）导数趋近于0，故在反向计算梯度时会使得计算得到的梯度趋近于0，造成梯度消失。AlexNet则采用的是ReLU（ RectifiedLinear Units）激活函数，这就解决了梯度消失的困扰（在输入大于0时，梯度为1），并且也符合人类神经元的特性（在输入小于0时，梯度为0，即参数不会变，称为神经元的单边抑制）。目前大部分激活函数都会采用ReLU函数。
注：ReLu：f(x)= max(0,x)Sigmoid： f(x) =f(x) = (1 + e ?x ) ?1
（3） 局部响应归一化（Local Response Normalization，LRN）：在神经网络中，我们用激活函数将神经元的输出做一个非线性映射，但是tanh和sigmoid这些传统的激活函数的值域都是有范围的，但是ReLU激活函数得到的值域没有一个区间，所以要对ReLU得到的结果进行归一化。注：现在LRN已不常用了。

（4）重叠池化（ Overlapping Pooling）：卷积核在遍历图像进行池化时，步长小于卷积核尺寸造成对重叠部分的重复池化。在caffe中重叠池化的一个例子如下：
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（5）dropout ：在全连接层随机丢弃一定比例（一般是0.5）神经元，每次只训练50%的参数。最后该全连接层每一个参数都得到训练，在测试时随机抽出50%的参数去预测。dropout是正则化的一种方式，可以有效避免过拟合。在caffe中dropout的一个例子如下：
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（6）数据增强（data augmentation）：神经网络过拟合的表现为在训练集上准确率很高，而在测试集上准确率很低。过拟合一般是由两个方面造成的，一是数据不够多，二是神经网络的拟合能力太强。所以通过已有的数据，经过一些变换处理，使其在像素层面上不同，而在宏观上不变（即数据的标签不变），通过这样数据增强的处理可以有效减弱过拟合。
2.AlexNet详解：（共8层，五层卷积层，三层全连接层）
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（1）输入：输入为227*227*3（有RGB 3个通道，每个通道为227*227大小）
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（2）第一层：输入为227*227*3的大小，由96个11*11*3的卷积核进行卷积，步长为4，（227-11）/4+1=55，所以经过卷积操作后结果为55*55*96.由于采用两块GPU计算，卷积核分两部分进行卷积，所以每一层结果为55*55*48。经过ReLU操作后LRN，其大小不会变。大小为55*55*48的特征图经过max pooling，pooling卷积核大小为3*3，步长为2，输出为（55-3）/2+1=27。所以第一层最后输出为27*27*48（每一层，共两层）。
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（3）第二层：输入为27*27*48（每一层，共两层），经过补边操作（每边加两个像素），后经过256个5*5*48的卷积核，步长为1，（27+2*2-5）/1+1=27，所以经过补边、卷积操作后大小为27*27*128。同样，经过ReLU操作后LRN，其大小不会变。大小为27*27*128的特征图经过max pooling，pooling卷积核大小为3*3，步长为2，输出为（27-3）/2+1=13.所以第二层最后输出为13*13*128（每一层，共两层）。

（4）第三层：输入为13*13*128（每一层，共两层），经过补边操作（每边加一个像素），后经过384个3*3*128的卷积核，步长为1，（13+2*1-3）/1+1=13，所以经过补边、卷积操作后大小为13*13*192（每一层，共两层），最后经过ReLU大小不变。

（5）第四层：输入为13*13*192（每一层，共两层），经过补边操作（每边加一个像素），后经过384个3*3*192的卷积核，步长为1，（13+2*1-3）/1+1=13，所以经过补边、卷积操作后大小为13*13*192（每一层，共两层），最后经过ReLU大小不变。

（6）第五层：输入为13*13*192（每一层，共两层），经过补边操作（每边加一个像素），后经过256个3*3*192的卷积核，步长为1，（13+2*1-3）/1+1=13，所以经过补边、卷积操作后大小为13*13*128（每一层，共两层），然后经过ReLU大小不变。最后经过max pooling，pooling大小为3*3，步长为2，（13-3）/2+1=6，所以最后输出为6*6*128（每一层，共两层）.

（7）第六层：输入为6*6*128（每一层，共两层），总的尺寸为6*6*256.用4096个6*6*256卷积核进行卷积，结果为4096个1*1的特征图，每一层为2048个1*1的特征图，即每一层为2048维向量。然后经过ReLU和dropout。所以该层最终结果为4096个数据。
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（8）第七层：第6层输出的4096个数据与第7层的4096个神经元进行全连接，然后经由ReLU和Dropout进行处理后生成4096个数据。
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（9）第八层：第7层输入的4096个数据与第8层的1000个神经元进行全连接。最后经softmax输出每个类型的概率。
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