AlexNet

论文：AlexNet 原始论文

一、AlexNet模型的特点

AlexNet之所以能够成功，跟这个模型设计的特点有关，主要有：

• 使用了非线性激活函数：ReLU
• 防止过拟合的方法：Dropout，数据扩充（Data augmentation）
• 其他：多GPU实现，LRN归一化层的使用

1. 使用ReLU激活函数
传统的神经网络普遍使用Sigmoid或者tanh等非线性函数作为激励函数，然而它们容易出现梯度弥散或梯度饱和的情况。以Sigmoid函数为例，当输入的值非常大或者非常小的时候，这些神经元的梯度接近于0（梯度饱和现象），如果输入的初始值很大的话，梯度在反向传播时因为需要乘上一个Sigmoid导数，会造成梯度越来越小，导致网络变的很难学习。

在AlexNet中，使用了ReLU （Rectified Linear Units）激励函数，该函数的公式为：f(x)=max(0,x)，当输入信号<0时，输出都是0，当输入信号>0时，输出等于输入。使用ReLU替代Sigmoid/tanh，由于ReLU是线性的，且导数始终为1，计算量大大减少，收敛速度会比Sigmoid/tanh快很多。

2. 数据扩充（Data augmentation）
有一种观点认为神经网络是靠数据喂出来的，如果能够增加训练数据，提供海量数据进行训练，则能够有效提升算法的准确率，因为这样可以避免过拟合，从而可以进一步增大、加深网络结构。而当训练数据有限时，可以通过一些变换从已有的训练数据集中生成一些新的数据，以快速地扩充训练数据。
其中，最简单、通用的图像数据变形的方式：水平翻转图像，从原始图像中随机裁剪、平移变换，颜色、光照变换。

AlexNet在训练时，在数据扩充（data augmentation）这样处理：
（1）随机裁剪，对256×256的图片进行随机裁剪到224×224，然后进行水平翻转，相当于将样本数量增加了倍；
（2）测试的时候，对左上、右上、左下、右下、中间分别做了5次裁剪，然后翻转，共10个裁剪，之后对结果求平均。作者说，如果不做随机裁剪，大网络基本上都过拟合；
（3）对RGB空间做PCA（主成分分析），然后对主成分做一个（0, 0.1）的高斯扰动，也就是对颜色、光照作变换，结果使错误率又下降了1%。

3. 重叠池化 (Overlapping Pooling)
一般的池化（Pooling）是不重叠的，池化区域的窗口大小与步长相同，如下图所示：

在AlexNet中使用的池化（Pooling）却是可重叠的，也就是说，在池化的时候，每次移动的步长小于池化的窗口长度。AlexNet池化的大小为3×3的正方形，每次池化移动步长为2，这样就会出现重叠。重叠池化可以避免过拟合，这个策略贡献了0.3%的Top-5错误率。

4. 局部归一化（Local Response Normalization，简称LRN）
在神经生物学有一个概念叫做“侧抑制”（lateral inhibitio），指的是被激活的神经元抑制相邻神经元。归一化（normalization）的目的是“抑制”，局部归一化就是借鉴了“侧抑制”的思想来实现局部抑制，尤其当使用ReLU时这种“侧抑制”很管用，因为ReLU的响应结果是无界的（可以非常大），所以需要归一化。使用局部归一化的方案有助于增加泛化能力。
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。
LRN的公式如下，核心思想就是利用临近的数据做归一化，这个策略贡献了1.2%的Top-5错误率。

5. Dropout
引入Dropout主要是为了防止过拟合。在神经网络中Dropout通过修改神经网络本身结构来实现，对于某一层的神经元，通过定义的概率将神经元置为0，这个神经元就不参与前向和后向传播，就如同在网络中被删除了一样，同时保持输入层与输出层神经元的个数不变，然后按照神经网络的学习方法进行参数更新。在下一次迭代中，又重新随机删除一些神经元（置为0），直至训练结束。

Dropout应该算是AlexNet中一个很大的创新，以至于“神经网络之父”Hinton在后来很长一段时间里的演讲中都拿Dropout说事。Dropout也可以看成是一种模型组合，每次生成的网络结构都不一样，通过组合多个模型的方式能够有效地减少过拟合，Dropout只需要两倍的训练时间即可实现模型组合（类似取平均）的效果，非常高效。
6. 多GPU训练
AlexNet当时使用了GTX580的GPU进行训练，由于单个GTX 580 GPU只有3GB内存，这限制了在其上训练的网络的最大规模，因此他们在每个GPU中放置一半核（或神经元），将网络分布在两个GPU上进行并行计算，大大加快了AlexNet的训练速度。

二、AlexNet网络结构

AlexNet网络结构

参考链接：
大话CNN经典模型：AlexNet
机器学习进阶笔记之三 | 深入理解Alexnet
Alexnet结构及代码