TensorFlow学习笔记(四)：CNN之AlexNet网络

ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks 是Hinton和他的学生Alex Krizhevsky在2012年ImageNet Challenge使用的模型结构，刷新了Image Classification的准确率，从此deep learning在Image这块开始一次次刷新我们的认知，这篇文章讲解了他们alexnet如何做到能达到那么好的成绩。

AlexNet的基本结构

包括5层卷积层，3层是全连接层，下面具体讲讲：

1、第一层卷积层 输入图像为227*227*3的图像，使用了96个kernels（96,11,11,3），以4个pixel为一个单位来右移或者下移，能够产生5555个卷积后的矩形框值，然后进行Local Response Normalized和pooled之后，alexnet里面使用了两个GPU，所以从图上面看第一层卷积层厚度有两部分，池化pool_size=(3,3),滑动步长为2个pixels，得到96个2727个feature。

2、第二层卷积层使用256个，做pad_size(2,2)的处理，以1个pixel为单位移动，能够产生27*27个卷积后的矩阵框，做LRN处理，然后pooled，池化以3*3矩形框，2个pixel为步长，得到256个13*13个features。

3、第三层、第四层都没有LRN和pool，第五层只有pool，其中第三层使用384个kernels（3*3*384，pad_size=(1,1),得到384*15*15，kernel_size为（3，3),以1个pixel为步长，得到384*13*13）；第四层使用384个kernels（pad_size(1,1)得到384*15*15，核大小为（3，3）步长为1个pixel，得到384*13*13）；第五层使用256个kernels（pad_size(1,1)得到384*15*15，kernel_size(3,3)，得到256*13*13，pool_size(3，3）步长2个pixels，得到256*6*6）。

4、全连接层： 前两层分别有4096个神经元，最后输出softmax为1000个（ImageNet）。

提高最终网络的性能一些东西：

ReLU 函数

ReLU(Rectified Linear Units) f(x)=max(0,x)。基于ReLU的深度卷积网络比基于tanh的网络训练块数倍，ReLU也比tanh能够更快的收敛。

LRN（Local Response Normalization）

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。

Dropout

在神经网络中Dropout通过修改神经网络本身结构来实现。对于某一层神经元，通过定义的概率来随机抑制一些神经元，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，下一次迭代中，重新随机抑制一些神经元，直至训练结束。

Data Augmentation

从256*256中随机提出227*227的patches(paper里面是224*224)，还有就是通过PCA来扩展数据集。这样就很有效地扩展了数据集。

Tensorflow中基于mnist 构建alexnet网络

# 输入数据
import input_data
mnist = input_data.read_data_sets("/tmp/data/", one_hot=True)
import tensorflow as tf

# 定义网络超参数
learning_rate = 0.001
training_iters = 200000
batch_size = 64
display_step = 20

# 定义网络参数
n_input = 784 # 输入的维度
n_classes = 10 # 标签的维度
dropout = 0.8 # Dropout 的概率

# 占位符输入
x = tf.placeholder(tf.types.float32, [None, n_input])
y = tf.placeholder(tf.types.float32, [None, n_classes])
keep_prob = tf.placeholder(tf.types.float32)

# 卷积
def conv2d(name, l_input, w, b):
    return tf.nn.relu(tf.nn.bias_add(tf.nn.conv2d(l_input, w, strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME'),b), name=name)

# 最大池化
def max_pool(name, l_input, k):
    return tf.nn.max_pool(l_input, ksize=[1, k, k, 1], strides=[1, k, k, 1], padding='SAME', name=name)

# 归一化
def norm(name, l_input, lsize=4):
    return tf.nn.lrn(l_input, lsize, bias=1.0, alpha=0.001 / 9.0, beta=0.75, name=name)

# 定义网络 
def alex_net(_X, _weights, _biases, _dropout):
    _X = tf.reshape(_X, shape=[-1, 28, 28, 1])

    conv1 = conv2d('conv1', _X, _weights['wc1'], _biases['bc1'])
    pool1 = max_pool('pool1', conv1, k=2)
    norm1 = norm('norm1', pool1, lsize=4)
    norm1 = tf.nn.dropout(norm1, _dropout)

    conv2 = conv2d('conv2', norm1, _weights['wc2'], _biases['bc2'])
    pool2 = max_pool('pool2', conv2, k=2)
    norm2 = norm('norm2', pool2, lsize=4)
    norm2 = tf.nn.dropout(norm2, _dropout)

    conv3 = conv2d('conv3', norm2, _weights['wc3'], _biases['bc3'])
    pool3 = max_pool('pool3', conv3, k=2)
    norm3 = norm('norm3', pool3, lsize=4)
    norm3 = tf.nn.dropout(norm3, _dropout)

    # 全连接层，先把特征图转为向量
    dense1 = tf.reshape(norm3, [-1, _weights['wd1'].get_shape().as_list()[0]]) 
    dense1 = tf.nn.relu(tf.matmul(dense1, _weights['wd1']) + _biases['bd1'], name='fc1') 
    dense2 = tf.nn.relu(tf.matmul(dense1, _weights['wd2']) + _biases['bd2'], name='fc2') # Relu activation

    # 网络输出层
    out = tf.matmul(dense2, _weights['out']) + _biases['out']
    return out


# 存储所有的网络参数
weights = {
    'wc1': tf.Variable(tf.random_normal([3, 3, 1, 64])),
    'wc2': tf.Variable(tf.random_normal([3, 3, 64, 128])),
    'wc3': tf.Variable(tf.random_normal([3, 3, 128, 256])),
    'wd1': tf.Variable(tf.random_normal([4\*4\*256, 1024])),
    'wd2': tf.Variable(tf.random_normal([1024, 1024])),
    'out': tf.Variable(tf.random_normal([1024, 10]))
}
biases = {
    'bc1': tf.Variable(tf.random_normal([64])),
    'bc2': tf.Variable(tf.random_normal([128])),
    'bc3': tf.Variable(tf.random_normal([256])),
    'bd1': tf.Variable(tf.random_normal([1024])),
    'bd2': tf.Variable(tf.random_normal([1024])),
    'out': tf.Variable(tf.random_normal([n_classes]))
}

# 构建模型
pred = alex_net(x, weights, biases, keep_prob)

# 定义损失函数和学习步骤
cost = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(pred, y))
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=learning_rate).minimize(cost)

# 测试网络
correct_pred = tf.equal(tf.argmax(pred,1), tf.argmax(y,1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred, tf.float32))

# 初始化所有的共享变量
init = tf.initialize_all_variables()

# 开启一个训练
with tf.Session() as sess:
    sess.run(init)
    step = 1
    while step * batch_size < training_iters:
        batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(batch_size)
        sess.run(optimizer, feed_dict={x: batch_xs, y: batch_ys, keep_prob: dropout})
        if step % display_step == 0:
            acc = sess.run(accuracy, feed_dict={x: batch_xs, y: batch_ys, keep_prob: 1.})
            loss = sess.run(cost, feed_dict={x: batch_xs, y: batch_ys, keep_prob: 1.})
            print "Iter " + str(step\*batch_size) + ", Minibatch Loss= " + "{:.6f}".format(loss) + ", Training Accuracy= " + "{:.5f}".format(acc)
        step += 1
    print "Optimization Finished!"
    # 计算测试精度
    print "Testing Accuracy:", sess.run(accuracy, feed_dict={x: mnist.test.images[:256], y: mnist.test.labels[:256], keep_prob: 1.})