深度卷积神经网络（AlexNet）

深度卷积神经网络（AlexNet）#

在LeNet提出后，卷积神经网络在计算机视觉和机器学习领域中很有名气。但卷积神经网络并没有主导这些领域。这是因为虽然LeNet在小数据集上取得了很好的效果，但是在更大、更真实的数据集上训练卷积神经网络的性能和可行性还有待研究。

因此，与训练端到端（从像素到分类结果）系统不同，经典机器学习的流水线看起来更像下面这样：

获取一个有趣的数据集。在早期，收集这些数据集需要昂贵的传感器（在当时最先进的图像也就100万像素）。
根据光学、几何学、其他知识以及偶然的发现，手工对特征数据集进行预处理。
通过标准的特征提取算法，如SIFT（尺度不变特征变换）和SURF（加速鲁棒特征）或其他手动调整的流水线来输入数据。
将提取的特征送入最喜欢的分类器中（例如线性模型或其它核方法），以训练分类器。

学习表征#

另一种预测这个领域发展的方法————观察图像特征的提取方法。

有趣的是，在网络的最底层，模型学习到了一些类似于传统滤波器的特征抽取器。下图是从AlexNet论文复制的，描述了底层图像特征，AlexNet第一层学习到的特征抽取器。

AlexNet的更高层建立在这些底层表示的基础上，以表示更大的特征，如眼睛、鼻子、草叶等等。

AlexNet#

2012年，AlexNet横空出世。它首次证明了学习到的特征可以超越手工设计的特征。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和LeNet的架构非常相似，如下图所示。注意，本书在这里提供的是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。

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。
AlexNet使用ReLU而不是sigmoid作为其激活函数。

下面的内容将深入研究AlexNet的细节。

模型设计#

在AlexNet的第一层，卷积窗口的形状是\(11\times11\)。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\(5\times5\)，然后是\(3\times3\)。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\(3\times3\)、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，所以现在很少需要跨GPU分解模型（因此，本书的AlexNet模型在这方面与原始论文稍有不同）。

激活函数#

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。

容量控制和预处理#

AlexNet通过暂退法控制全连接层的模型复杂度，而LeNet只使用了权重衰减。为了进一步扩充数据，AlexNet在训练时增加了大量的图像增强数据，如翻转、裁切和变色。这使得模型更健壮，更大的样本量有效地减少了过拟合。

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

net = nn.Sequential(
    # 这里使用一个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#

尽管原文中AlexNet是在ImageNet上进行训练的，但本书在这里使用的是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（\(28 \times 28\)像素）低于ImageNet图像。为了解决这个问题，(我们将它们增加到\(224 \times 224\))（通常来讲这不是一个明智的做法，但在这里这样做是为了有效使用AlexNet架构）。。

#train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size=128, resize=224)
#下载模型使用
import os
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
from torchvision import transforms,datasets
import matplotlib.pyplot as plt
image_size = 224
data_transform = transforms.Compose([
    #transforms.ToPILImage(),   # 将torch.Tensor或numpy.ndarray类型图像转为PIL.Image类型图像。这段里面可以移除transforms.ToPILImage()，因为 FashionMNIST 数据集已经是 PIL.Image 类型
    transforms.Resize(image_size),#按给定尺寸对图像进行缩放
    transforms.ToTensor() #将PIL.Image或numpy.ndarray类型图像转为torch.Tensor类型图像
])
# train表示是否是训练集，download表示是否需要下载，transform表示是否需要进行数据变换
train_data = datasets.FashionMNIST(root='../raw/data/', train=True, download=True, transform=data_transform)
test_data = datasets.FashionMNIST(root='../raw/data/', train=False, download=True, transform=data_transform)
batch_size = 128
num_workers = 0  #mac 不知道为什么变为4也报错   # 对于Windows用户，这里应设置为0，否则会出现多线程错误
# DataLoader是一个用于生成batch数据的迭代器，可以设置batch_size、shuffle、num_workers等参数
#batch_size是指每个批次中包含的样本数量。shuffle=True表示在每个epoch开始时，将训练数据集打乱顺序，以增加模型的泛化能力。num_workers是指用于数据加载的线程数量，可以加快数据加载的速度。drop_last=True表示如果训练数据集的样本数量不能被batch_size整除，最后一个不完整的批次将被丢弃。
train_iter = DataLoader(train_data, batch_size=batch_size, shuffle=True, num_workers=num_workers, drop_last=True)
test_iter = DataLoader(test_data, batch_size=batch_size, shuffle=False, num_workers=num_workers)

训练AlexNet#

现在AlexNet可以开始被训练了。与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())

loss 0.330, train acc 0.879, test acc 0.880
2524.2 examples/sec on cuda:0

../_images/405d5891c14ade8ae6caf07b5aa7bf37f8a4862da3beedf066e5aeb76694ff3c.svg