[PyTorch][chapter 36][经典卷积神经网络-1 ]

前言：

ILSVRC（ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge）是近年来机器视觉领域最受追捧也是最具权威的学术竞赛之一，代表了图像领域的最高水平。

ImageNet数据集是ILSVRC竞赛使用的是数据集，由斯坦福大学李飞飞教授主导，包含了超过1400万张全尺寸的有标记图片。ILSVRC比赛会每年从ImageNet数据集中抽出部分样本，以2012年为例，比赛的训练集包含1281167张图片，验证集包含50000张图片，测试集为100000张图片。

ImageNet的分类发展历史

我们通过test top-5 可以看到错误率在逐步的降低。

AlexNet- VGG- GoogleNet-ResNet

1 LeNet-5

2 AlexNet

一 LeNet-5

1.1 简介

LeNet-5是一个经典的深度卷积神经网络，由Yann LeCun在1998年提出，旨在解决手写数字识别问题，被认为是卷积神经网络的开创性工作之一。该网络是第一个被广泛应用于数字图像识别的神经网络之一，也是深度学习领域的里程碑之一。本文首先介绍了卷积神经网络的基本原理，然后介绍了LeNet-5的基本结构和训练过程，并给出了LeNet-5的pytorch代码实现，最后说明了LeNet-5对深度学习的贡献。

Yoshua Bengio, Yann Lecun, Geoffrey Hinton

1.2 应用：

该网络在手写数字识别上精度可以达到99.2%，在邮政编码识别

以及支票识别上面，占据了美国50%以上的市场份额。

1.3 网络结构

LeNet-5的基本结构包括7层网络结构（不含输入层），其中包括2个卷积层、2个降采样层（池化层）、2个全连接层和输出层。

层	参数
L1-输入层	输入层接收大小为 32×32 的手写数字图像，其中包括灰度值（0-255）
L2-卷积层C1	卷积层C1包括6个卷积核，每个卷积核的大小为 5×5 ，步长为1，填充为0。因此，每个卷积核会产生一个大小为 28×28 的特征图（输出通道数为6
L3-采样层S2	采样层S2采用最大池化（max-pooling）操作，每个窗口的大小为 2×2 ，步长为2。因此，每个池化操作会从4个相邻的特征图中选择最大值，产生一个大小为 14×14 的特征图（输出通道数为6）。这样可以减少特征图的大小，提高计算效率，并且对于轻微的位置变化可以保持一定的不变性。
L4-卷积层C3	卷积层C3包括16个卷积核，每个卷积核的大小为 5×5 ，步长为1，填充为0。因此，每个卷积核会产生一个大小为 10×10 的特征图（输出通道数为16）。
L5-采样层S4	采样层S4采用最大池化操作，每个窗口的大小为 2×2 ，步长为2。因此，每个池化操作会从4个相邻的特征图中选择最大值，产生一个大小为 5×5 的特征图（输出通道数为16）
L6-全连接层C5	C5将每个大小为 5×5 的特征图拉成一个长度为400的向量，并通过一个带有120个神经元的全连接层进行连接。120是由LeNet-5的设计者根据实验得到的最佳值。
L7-全连接层F6	全连接层F6将120个神经元连接到84个神经元。
L8-输出层	输出层由10个神经元组成，每个神经元对应0-9中的一个数字，并输出最终的分类结果。在训练过程中，使用交叉熵损失函数计算输出层的误差，并通过反向传播算法更新卷积核和全连接层的权重参数。

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Thu May 25 16:15:33 2023@author: chengxf2
"""import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import torchvision.datasets as datasets
from torchvision import transforms
from visdom import Visdomclass LeNet5(nn.Module):def __init__(self):super(LeNet5,self).__init__()#灰度图,只有一个通道self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=6, kernel_size=5,stride=1) self.pool1 = nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2)#feature map [16,6,5,5]self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=6, out_channels=16, kernel_size=5, stride=1)self.pool2 = nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2)#全连接层self.fc1 = nn.Linear(in_features=16 * 4 * 4, out_features=120)self.fc2 = nn.Linear(in_features=120, out_features=84)self.fc3 = nn.Linear(in_features=84, out_features=10)def forward(self, x):conv_1 = self.conv1(x)pool_1 = self.pool1(torch.relu(conv_1))conv_2 = self.conv2(pool_1)pool_2 = self.pool2(torch.relu(conv_2))x = pool_2.view(-1, 16 * 4 * 4)x = torch.relu(self.fc1(x))x = torch.relu(self.fc2(x))x = self.fc3(x)return xdef run():# 加载MNIST数据集train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, transform=transforms.ToTensor(), download=True)test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, transform=transforms.ToTensor())# 定义数据加载器train_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)test_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)# 定义模型、损失函数和优化器model = LeNet5()criterion = nn.CrossEntropyLoss()optimizer = optim.Adam(model.parameters())vis = Visdom()vis.line([0],[0],win ='test_acc',opts = dict(title='test_acc'))# 训练模型for epoch in range(10):for i, (images, labels) in enumerate(train_loader):optimizer.zero_grad()outputs = model(images)loss = criterion(outputs, labels)loss.backward()optimizer.step()if (i+1) % 200 == 0:print('Epoch [{}/{}], Step [{}/{}], Loss: {:.4f}'.format(epoch+1, 10, i+1, len(train_loader), loss.item()))# 测试模型model.eval()#表明当前计算不需要反向传播，使用之后，强制后边的内容不进行计算图的构建with torch.no_grad():correct = 0total = 0for images, labels in test_loader:outputs = model(images) #[64, 10]#该函数返回由最大值以及最大值处的索引组成元组(max,max_indices)_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)total += labels.size(0)correct += (predicted == labels).sum().item()acc = correct / totalvis.line([acc],[epoch+1], win='test_acc',update='append')print('Test Accuracy: [{}/{}]={:.2f}%'.format(correct,total,100 * correct / total))if __name__ == "__main__":run()

假如输入图像大小为m*n，过滤器(filter)为f*f，padding为p，步长(stride)为s，则输出大小为：如果商不是整数，向下取整，即floor函数。参考：

$[\frac{m+2p-f}{s}+1]*[\frac{n+2p-f}{s}+1]$

二 AlexNet

2.1 简介

AlexNet经典网络由Alex Krizhevsky、Hinton等人在2012年提出，发表在NIPS，论文名为《ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks》

2.2 创新点

2012年前图像处理主流是SVM,AlexNet 创新点如下

创新点

1 激活函数使用ReLU替代Tanh或Sigmoid加快训练速度，解决网络较深时梯度弥散问题

2 .训练时使用Dropout随机忽略一部分神经元，以避免过拟合

3使用重叠最大池化(Overlapping Max Pooling)，避免平均池化时的模糊化效果；并且让步长比池化核的尺寸小，提升特征丰富性。filter的步长stride小于filter的width或height。一般，kernel(filter)的宽和高是相同的，深度(depth)是和通道数相同的

4使用LRN对局部神经元的活动创建竞争机制，使得其中响应比较大的值变得相对更大，并抑制其它反馈较小的神经元，增强了模型泛化能力。LRN只对数据相邻区域做归一化处理，不改变数据的大小和维度

5 .数据扩充(Data Augmentation)：训练时随机地从256*256的原始数据中截取227*227大小的区域，水平翻转；光照变换。增加了数据量，大大减少过拟合，提升泛化能力。

6多GPU并行运算。

第一次使用了两张GTX580,把卷积核放在两张gpu上

AlexNet输入是一种属于1000种不同类别的一张BGR图像，大小为227*227，输出是一个向量，大小为1000。输出向量的第i个元素值被解释为输入图像属于第i类的概率。因此，输出向量的所有元素的总和为1。

2.3 网络结构

AlexNet架构：5个卷积层(Convolution、ReLU、LRN、Pooling)+3个全连接层(InnerProduct、ReLU、Dropout)，predict时对各层进行说明

层	介绍	训练参数
输入层	图像大小2272273。
convolution_1+ReLU+LRN	使用96个1111的filter，stride为4，padding为0，输出为5555*96，96个feature maps	(11113*96)+96=34944
最大池化层_1	filter为33，stride为2，padding为0，输出为2727*96，96个feature maps。
convolution_2+ReLU+LRN	使用256个55的filter，stride为1，padding为2，输出为2727*256，256个feature maps	(5596*256)+256=614656。
最大池化层_2	filter为33，stride为2，padding为0，输出为1313*256，256个feature maps。
convolution_3+ReLU	使用384个33的filter，stride为1，padding为1，输出为1313*384，384个feature maps	(33256*384)+384=88512
convolution_4+ReLU	使用384个33的filter，stride为1，padding为1，输出为1313*384，384个feature maps	(33384*384)+384=1327488
convolution_5+ReLU	使用256个33的filter，stride为1，padding为1，输出为1313*256，256个feature maps	(33384*256)+256=884992
最大池化层_3	filter为33，stride为2，padding为0，输出为66*256，256个feature maps。
全连接层1+ReLU+Dropout	有4096个神经元	(66256)*4096=37748736
全连接层2+ReLU+Dropout	有4096个神经元	4096*4096=16777216
全连接层3	有1000个神经元	4096*1000=4096000
输出层(Softmax)	输出识别结果 1000个分类可能