背景简介
在 LeNet 问世后的第4年，2012年， AlexNet 在 ImageNet LSVRC-2010 数据集上对1000个类别的图像进行分类取得了当时最好的效果；同时在 ILSVRC-2012 数据集上取得了当时第一的成绩。在AlexNet之后，图像分类模型越来越复杂，网络也越来越 deep。现在 AlexNet 仍然可以应用到小数据集上，做一些验证性的实验。
原论文
https://papers.nips.cc/paper/4824-imagenet-classification-with-deep-convolutional-neural-networks.pdf
文章发在 NIPS 上。截止目前引用次数为36782！
个人 Github 实现
https://github.com/uestcsongtaoli/AlexNet
模型介绍
AlexNet Architecture
上图是 Alex Krizhevsky 原论文中 AlexNet 结构图，做了简单的标注。
该模型由5个卷积层和3个全连接层构成，其中还有3个 Pooling 层。
先定义 conv block 包括卷积、BatchNormalization 和 Activation：
def Conv_block(layer, filters, kernerl_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding="valid", name=None):
x = Conv2D(filters=filters, kernel_size=kernel_size, strides=strides, padding=padding, name=name)(layer)
x = BatchNormalization()(x)
x = Activation("relu")(x)
return x
- 卷积层 Conv_1
x = Conv_block(x, filters=96, kernel_size=(11, 11), strides=(4, 4), padding="valid", name="Conv_1_96_11x11_4")
- 池化层 Pool_1
x = MaxPool2D(pool_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding="valid", name="maxpool_1_3x3_2")(x)
- 卷积层 Conv_2
x = Conv_block(x, filters=256, kernel_size=(5, 5), strides=(1, 1), padding="same", name="Conv_2_256_5x5_1")
- 池化层 Pool_2
x = MaxPool2D(pool_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding="valid", name="maxpool_2_3x3_2")(x)
- 卷积层 Conv_3
x = Conv_block(x, filters=384, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding="same", name="Conv_3_384_3x3_1")
- 卷积层 Conv_4
x = Conv_block(x, filters=384, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding="same", name="Conv_4_384_3x3_1")
- 卷积层 Conv_5
x = Conv_block(x, filters=256, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding="same", name="Conv_5_256_3x3_1")
- 池化层 Pool_2
x = MaxPool2D(pool_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding="valid", name="maxpool_3_3x3_2")(x)
- 全连接层 FC_1
x = Flatten()(x)
x = dense(units=4096)(x)
x = BatchNormalization()(x)
x = Activation("relu")(x)
- 全连接层 FC_2
x = dense(units=4096)(x)
x = BatchNormalization()(x)
x = Activation("relu")(x)
- 全连接层 FC_3
x = dense(units=num_classes)(x)
x = BatchNormalization()(x)
x = Activation("softmax")(x)
个人理解
- 这里实现的时候有个trick, 输入图片大小应该是227，这样通过计算卷积之后才是55x55的大小，所以我在实现的时候先加了 zero_padding 具体参见我Github 的代码。
- AlexNet 网络参数的大约是6千万个左右。
- AlexNet 之后网络的激活函数基本都使用 relu, 因为 relu 收敛更快，没有梯度消失问题。
- 池化也大多使用最大值池化 max pooling.
- 增加了 Batchnormalization 技术，更快收敛、类似正则化的作用，减小过拟合。
- 原文中还有 Dropout 技术，来防止过拟合，多用于全连接层
- 优化器是 SGD.
- 当时设置的 batch_size 为 128
- 采用了 group convolution 技术，也就是分块卷积，是一种模型并行的技术。受限于当时的技术资源，作者将卷积部分均分成两部分。优点是：1. 收敛快，每次可以接收更多图片，2. 参数少，3. 每一个 filter group 可以学习到数据不同的特征。
模型讲解
- ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks
http://vision.stanford.edu/teaching/cs231b_spring1415/slides/alexnet_tugce_kyunghee.pdf - Understanding AlexNet
https://www.learnopencv.com/understanding-alexnet/ - A Walk-through of AlexNet
https://medium.com/@smallfishbigsea/a-walk-through-of-alexnet-6cbd137a5637 - AlexNet
为什么使用ReLu
http://cvml.ist.ac.at/courses/DLWT_W17/material/AlexNet.pdf - AlexNet Implementation Using Keras
https://engmrk.com/alexnet-implementation-using-keras/ - AlexNet Keras Implementation
Github
https://github.com/eweill/keras-deepcv/blob/master/models/classification/alexnet.py - Plant Diseases Classification Using AlexNet
Kaggle 应用
https://www.kaggle.com/vipoooool/plant-diseases-classification-using-alexnet - Finetuning AlexNet with TensorFlow
迁移学习，fine-tune
https://kratzert.github.io/2017/02/24/finetuning-alexnet-with-tensorflow.html - AlexNet implementation + weights in TensorFlow
模型的权重，用于迁移学习
http://www.cs.toronto.edu/~guerzhoy/tf_alexnet/
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