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图像分类是根据图像的语义信息将不同类别图像区分开来,是计算机视觉中重要的基本问题,也是图像检测、图像分割、物体跟踪、行为分析等其他高层视觉任务的基础。图像分类在很多领域有广泛应用,包括安防领域的人脸识别和智能视频分析等,交通领域的交通场景识别,互联网领域基于内容的图像检索和相册自动归类,医学领域的图像识别等。 图像分类是根据图像的语义信息将不同类别图像区分开来,是计算机视觉中重要的基本问题,也是图像检测、图像分割、物体跟踪、行为分析等其他高层视觉任务的基础。图像分类在很多领域有广泛应用,包括安防领域的人脸识别和智能视频分析等,交通领域的交通场景识别,互联网领域基于内容的图像检索和相册自动归类,医学领域的图像识别等。
一般来说,图像分类通过手工特征或特征学习方法对整个图像进行全部描述,然后使用分类器判别物体类别,因此如何提取图像的特征至关重要。在深度学习算法之前使用较多的是基于词袋(Bag of Words)模型的物体分类方法。词袋方法从自然语言处理中引入,即一句话可以用一个装了词的袋子表示其特征,袋子中的词为句子中的单词、短语或字。对于图像而言,词袋方法需要构建字典。最简单的词袋模型框架可以设计为**底层特征抽取****特征编码****分类器设计**三个过程。 一般来说,图像分类通过手工提取特征或特征学习方法对整个图像进行全部描述,然后使用分类器判别物体类别,因此如何提取图像的特征至关重要。在深度学习算法之前使用较多的是基于词袋(Bag of Words)模型的物体分类方法。词袋方法从自然语言处理中引入,即一句话可以用一个装了词的袋子表示其特征,袋子中的词为句子中的单词、短语或字。对于图像而言,词袋方法需要构建字典。最简单的词袋模型框架可以设计为**底层特征抽取****特征编码****分类器设计**三个过程。
而基于深度学习的图像分类方法,可以通过有监督或无监督的方式**学习**层次化的特征描述,从而取代了手工设计或选择图像特征的工作。深度学习模型中的卷积神经网络(Convolution Neural Network, CNN)近年来在图像领域取得了惊人的成绩,CNN直接利用图像像素信息作为输入,最大程度上保留了输入图像的所有信息,通过卷积操作进行特征的提取和高层抽象,模型输出直接是图像识别的结果。这种基于"输入-输出"直接端到端的学习方法取得了非常好的效果,得到了广泛的应用。 而基于深度学习的图像分类方法,可以通过有监督或无监督的方式**学习**层次化的特征描述,从而取代了手工设计或选择图像特征的工作。深度学习模型中的卷积神经网络(Convolution Neural Network, CNN)近年来在图像领域取得了惊人的成绩,CNN直接利用图像像素信息作为输入,最大程度上保留了输入图像的所有信息,通过卷积操作进行特征的提取和高层抽象,模型输出直接是图像识别的结果。这种基于"输入-输出"直接端到端的学习方法取得了非常好的效果,得到了广泛的应用。
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在2012年之前的传统图像分类方法可以用背景描述中提到的三步完成,但通常完整建立图像识别模型一般包括底层特征学习、特征编码、空间约束、分类器设计、模型融合等几个阶段。 在2012年之前的传统图像分类方法可以用背景描述中提到的三步完成,但通常完整建立图像识别模型一般包括底层特征学习、特征编码、空间约束、分类器设计、模型融合等几个阶段。
1). **底层特征提取**: 通常从图像中按照固定步长、尺度提取大量局部特征描述。常用的局部特征包括SIFT(Scale-Invariant Feature Transform, 尺度不变特征转换) \[[1](#参考文献)\]、HOG(Histogram of Oriented Gradient, 方向梯度直方图) \[[2](#参考文献)\]、LBP(Local Bianray Pattern, 局部二值模式) \[[3](#参考文献)\] 等,一般也采用多种特征描述,防止丢失过多的有用信息。 1). **底层特征提取**: 通常从图像中按照固定步长、尺度提取大量局部特征描述。常用的局部特征包括SIFT(Scale-Invariant Feature Transform, 尺度不变特征转换) \[[1](#参考文献)\]、HOG(Histogram of Oriented Gradient, 方向梯度直方图) \[[2](#参考文献)\]、LBP(Local Bianray Pattern, 局部二值模式) \[[3](#参考文献)\] 等,一般也采用多种特征描述,防止丢失过多的有用信息。
2). **特征编码**: 底层特征中包含了大量冗余与噪声,为了提高特征表达的鲁棒性,需要使用一种特征变换算法对底层特征进行编码,称作特征编码。常用的特征编码包括向量量化编码 \[[4](#参考文献)\]、稀疏编码 \[[5](#参考文献)\]、局部线性约束编码 \[[6](#参考文献)\]、Fisher向量编码 \[[7](#参考文献)\] 等。 2). **特征编码**: 底层特征中包含了大量冗余与噪声,为了提高特征表达的鲁棒性,需要使用一种特征变换算法对底层特征进行编码,称作特征编码。常用的特征编码方法包括向量量化编码 \[[4](#参考文献)\]、稀疏编码 \[[5](#参考文献)\]、局部线性约束编码 \[[6](#参考文献)\]、Fisher向量编码 \[[7](#参考文献)\] 等。
3). **空间特征约束**: 特征编码之后一般会经过空间特征约束,也称作**特征汇聚**。特征汇聚是指在一个空间范围内,对每一维特征取最大值或者平均值,可以获得一定特征不变形的特征表达。金字塔特征匹配是一种常用的特征聚会方法,这种方法提出将图像均匀分块,在分块内做特征汇聚。 3). **空间特征约束**: 特征编码之后一般会经过空间特征约束,也称作**特征汇聚**。特征汇聚是指在一个空间范围内,对每一维特征取最大值或者平均值,可以获得一定特征不变形的特征表达。金字塔特征匹配是一种常用的特征聚会方法,这种方法提出将图像均匀分块,在分块内做特征汇聚。
4). **通过分类器分类**: 经过前面步骤之后一张图像可以用一个固定维度的向量进行描述,接下来就是经过分类器对图像进行分类。通常使用的分类器包括SVM(Support Vector Machine, 支持向量机)、随机森林等。而使用核方法的SVM是最为广泛的分类器,在传统图像分类任务上性能很好。 4). **通过分类器分类**: 经过前面步骤之后一张图像可以用一个固定维度的向量进行描述,接下来就是经过分类器对图像进行分类。通常使用的分类器包括SVM(Support Vector Machine, 支持向量机)、随机森林等。而使用核方法的SVM是最为广泛的分类器,在传统图像分类任务上性能很好。
这种方法在PASCAL VOC竞赛中的图像分类算法中被广泛使用 \[[18](#参考文献)\][NEC实验室](http://www.nec-labs.com/)在ILSVRC2010中采用SIFT和LBP特征,两个非线性编码器以及SVM分类器获得图像分类的冠军 \[[8](#参考文献)\] 这种传统的图像分类方法在PASCAL VOC竞赛中的图像分类算法中被广泛使用 \[[18](#参考文献)\][NEC实验室](http://www.nec-labs.com/)在ILSVRC2010中采用SIFT和LBP特征,两个非线性编码器以及SVM分类器获得图像分类的冠军 \[[8](#参考文献)\]
Alex Krizhevsky在2012年ILSVRC提出的CNN模型 \[[9](#参考文献)\] 取得了历史性的突破,效果大幅度超越传统方法,获得了ILSVRC2012冠军,该模型被称作AlexNet。这也是首次将深度学习用于大规模图像分类中。从AlexNet之后,涌现了一系列CNN模型,不断地在ImageNet上刷新成绩,如图4展示。随着模型变得越来越深以及精妙的结构设计,Top-5的错误率也越来越低,降到了3.5%附近。而在同样的ImageNet数据集上,人眼的辨识错误率大概在5.1%,也就是目前的深度学习模型的识别能力已经超过了人眼。 Alex Krizhevsky在2012年ILSVRC提出的CNN模型 \[[9](#参考文献)\] 取得了历史性的突破,效果大幅度超越传统方法,获得了ILSVRC2012冠军,该模型被称作AlexNet。这也是首次将深度学习用于大规模图像分类中。从AlexNet之后,涌现了一系列CNN模型,不断地在ImageNet上刷新成绩,如图4展示。随着模型变得越来越深以及精妙的结构设计,Top-5的错误率也越来越低,降到了3.5%附近。而在同样的ImageNet数据集上,人眼的辨识错误率大概在5.1%,也就是目前的深度学习模型的识别能力已经超过了人眼。
...@@ -77,7 +77,7 @@ Alex Krizhevsky在2012年ILSVRC提出的CNN模型 \[[9](#参考文献)\] 取得 ...@@ -77,7 +77,7 @@ Alex Krizhevsky在2012年ILSVRC提出的CNN模型 \[[9](#参考文献)\] 取得
- 卷积层(convolution layer): 执行卷积操作提取底层到高层的特征,发掘出图片局部关联性质和空间不变性质。 - 卷积层(convolution layer): 执行卷积操作提取底层到高层的特征,发掘出图片局部关联性质和空间不变性质。
- 池化层(pooling layer): 执行降采样操作。通过取卷积输出特征图中局部区块的最大值(max-pooling)或者均值(avg-pooling)。降采样也是图像处理中常见的一种操作,可以过滤掉一些不重要的高频信息。 - 池化层(pooling layer): 执行降采样操作。通过取卷积输出特征图中局部区块的最大值(max-pooling)或者均值(avg-pooling)。降采样也是图像处理中常见的一种操作,可以过滤掉一些不重要的高频信息。
- 全连接层(fully-connected layer,或者fc layer): 输入层到隐藏层的神经元是全部连接的。 - 全连接层(fully-connected layer,或者fc layer): 输入层到隐藏层的神经元是全部连接的。
- 非线性变化: 卷积层、全连接层后面一般都会接非线性变化,例如Sigmoid、Tanh、ReLu等来增强网络的表达能力,在CNN里最常使用的为ReLu激活函数。 - 非线性变化: 卷积层、全连接层后面一般都会接非线性变化函数,例如Sigmoid、Tanh、ReLu等来增强网络的表达能力,在CNN里最常使用的为ReLu激活函数。
- Dropout \[[10](#参考文献)\] : 在模型训练阶段随机让一些隐层节点权重不工作,提高网络的泛化能力,一定程度上防止过拟合。 - Dropout \[[10](#参考文献)\] : 在模型训练阶段随机让一些隐层节点权重不工作,提高网络的泛化能力,一定程度上防止过拟合。
另外,在训练过程中由于每层参数不断更新,会导致下一次输入分布发生变化,这样导致训练过程需要精心设计超参数。如2015年Sergey Ioffe和Christian Szegedy提出了Batch Normalization (BN)算法 \[[14](#参考文献)\] 中,每个batch对网络中的每一层特征都做归一化,使得每层分布相对稳定。BN算法不仅起到一定的正则作用,而且弱化了一些超参数的设计。经过实验证明,BN算法加速了模型收敛过程,在后来较深的模型中被广泛使用。 另外,在训练过程中由于每层参数不断更新,会导致下一次输入分布发生变化,这样导致训练过程需要精心设计超参数。如2015年Sergey Ioffe和Christian Szegedy提出了Batch Normalization (BN)算法 \[[14](#参考文献)\] 中,每个batch对网络中的每一层特征都做归一化,使得每层分布相对稳定。BN算法不仅起到一定的正则作用,而且弱化了一些超参数的设计。经过实验证明,BN算法加速了模型收敛过程,在后来较深的模型中被广泛使用。
...@@ -110,7 +110,7 @@ Inception模块如下图7所示,图(a)是最简单的设计,输出是3个卷 ...@@ -110,7 +110,7 @@ Inception模块如下图7所示,图(a)是最简单的设计,输出是3个卷
图7. Inception模块 图7. Inception模块
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GoogleNet由多组Inception模块堆积而成。另外,在网络最后也没有采用传统的多层全连接层,而是像NIN网络一样采用了均值池化层;但与NIN不同的是,池化层后面接了一层到类别数映射的全连接层。除了这两个特点之外,由于网络中间层特征也很有判别性,GoogleNet在中间层添加了两个辅助分类器,在后向传播中增强梯度并且增强正则化,而整个网络的损失函数是这个三个分类器的损失加权求和。 GoogleNet由多组Inception模块堆积而成。另外,在网络最后也没有采用传统的多层全连接层,而是像NIN网络一样采用了均值池化层;但与NIN不同的是,GoogleNet在池化层后加了一个全连接层来映射类别数。除了这两个特点之外,由于网络中间层特征也很有判别性,GoogleNet在中间层添加了两个辅助分类器,在后向传播中增强梯度并且增强正则化,而整个网络的损失函数是这个三个分类器的损失加权求和。
GoogleNet整体网络结构如图8所示,总共22层网络:开始由3层普通的卷积组成;接下来由三组子网络组成,第一组子网络包含2个Inception模块,第二组包含5个Inception模块,第三组包含2个Inception模块;然后接均值池化层、全连接层。 GoogleNet整体网络结构如图8所示,总共22层网络:开始由3层普通的卷积组成;接下来由三组子网络组成,第一组子网络包含2个Inception模块,第二组包含5个Inception模块,第三组包含2个Inception模块;然后接均值池化层、全连接层。
...@@ -125,7 +125,7 @@ GoogleNet整体网络结构如图8所示,总共22层网络:开始由3层普 ...@@ -125,7 +125,7 @@ GoogleNet整体网络结构如图8所示,总共22层网络:开始由3层普
### ResNet ### ResNet
ResNet(Residual Network) \[[15](#参考文献)\] 是2015年ImageNet图像分类、图像物体定位和图像物体检测比赛的冠军。针对训练卷积神经网络时加深网络导致准确度下降的问题,ResNet提出了采用残差学习。在已有设计思路(BN, 小卷积核,全卷积网络)的基础上,引入了残差模块。每个残差模块包含两条路径,其中一条路径是输入特征的直连通路,另一条路径对该特征做两到三次卷积操作得到该特征的残差,最后再将两条路径上的特征相加。 ResNet(Residual Network) \[[15](#参考文献)\] 是2015年ImageNet图像分类、图像物体定位和图像物体检测比赛的冠军。针对随着网络训练加深导致准确度下降的问题,ResNet提出了残差学习方法来减轻训练深层网络的困难。在已有设计思路(BN, 小卷积核,全卷积网络)的基础上,引入了残差模块。每个残差模块包含两条路径,其中一条路径是输入特征的直连通路,另一条路径对该特征做两到三次卷积操作得到该特征的残差,最后再将两条路径上的特征相加。
残差模块如图9所示,左边是基本模块连接方式,由两个输出通道数相同的3x3卷积组成。右边是瓶颈模块(Bottleneck)连接方式,之所以称为瓶颈,是因为上面的1x1卷积用来降维(图示例即256->64),下面的1x1卷积用来升维(图示例即64->256),这样中间3x3卷积的输入和输出通道数都较小(图示例即64->64)。 残差模块如图9所示,左边是基本模块连接方式,由两个输出通道数相同的3x3卷积组成。右边是瓶颈模块(Bottleneck)连接方式,之所以称为瓶颈,是因为上面的1x1卷积用来降维(图示例即256->64),下面的1x1卷积用来升维(图示例即64->256),这样中间3x3卷积的输入和输出通道数都较小(图示例即64->64)。
...@@ -215,7 +215,7 @@ def vgg_bn_drop(input): ...@@ -215,7 +215,7 @@ def vgg_bn_drop(input):
3. 最后接两层512维的全连接。 3. 最后接两层512维的全连接。
4. 通过上面VGG网络提取高层特征,然后经过全连接层映射到类别维度大小的向量,再通过Softmax归一化得到每个类别的概率,也可称作分类器 4. 在这里,VGG网络首先提取高层特征,随后在全连接层中将其映射到和类别维度大小一致的向量上,最后通过Softmax方法计算图片划为每个类别的概率
### ResNet ### ResNet
...@@ -226,7 +226,6 @@ ResNet模型的第1、3、4步和VGG模型相同,这里不再介绍。主要 ...@@ -226,7 +226,6 @@ ResNet模型的第1、3、4步和VGG模型相同,这里不再介绍。主要
- `conv_bn_layer` : 带BN的卷积层。 - `conv_bn_layer` : 带BN的卷积层。
- `shortcut` : 残差模块的"直连"路径,"直连"实际分两种形式:残差模块输入和输出特征通道数不等时,采用1x1卷积的升维操作;残差模块输入和输出通道相等时,采用直连操作。 - `shortcut` : 残差模块的"直连"路径,"直连"实际分两种形式:残差模块输入和输出特征通道数不等时,采用1x1卷积的升维操作;残差模块输入和输出通道相等时,采用直连操作。
- `basicblock` : 一个基础残差模块,即图9左边所示,由两组3x3卷积组成的路径和一条"直连"路径组成。 - `basicblock` : 一个基础残差模块,即图9左边所示,由两组3x3卷积组成的路径和一条"直连"路径组成。
- `bottleneck` : 一个瓶颈残差模块,即图9右边所示,由上下1x1卷积和中间3x3卷积组成的路径和一条"直连"路径组成。
- `layer_warp` : 一组残差模块,由若干个残差模块堆积而成。每组中第一个残差模块滑动窗口大小与其他可以不同,以用来减少特征图在垂直和水平方向的大小。 - `layer_warp` : 一组残差模块,由若干个残差模块堆积而成。每组中第一个残差模块滑动窗口大小与其他可以不同,以用来减少特征图在垂直和水平方向的大小。
```python ```python
...@@ -277,7 +276,7 @@ def layer_warp(block_func, input, ch_in, ch_out, count, stride): ...@@ -277,7 +276,7 @@ def layer_warp(block_func, input, ch_in, ch_out, count, stride):
3. 最后对网络做均值池化并返回该层。 3. 最后对网络做均值池化并返回该层。
注意:除过第一层卷积层和最后一层全连接层之外,要求三组 `layer_warp` 总的含参层数能够被6整除,即 `resnet_cifar10` 的 depth 要满足 $(depth - 2) % 6 == 0$ 。 注意:除第一层卷积层和最后一层全连接层之外,要求三组 `layer_warp` 总的含参层数能够被6整除,即 `resnet_cifar10` 的 depth 要满足 $(depth - 2) % 6 = 0$ 。
```python ```python
def resnet_cifar10(ipt, depth=32): def resnet_cifar10(ipt, depth=32):
...@@ -331,7 +330,7 @@ def train_program(): ...@@ -331,7 +330,7 @@ def train_program():
## Optimizer Function 配置 ## Optimizer Function 配置
在下面的 `Adam optimizer``learning_rate`训练的速度,与网络的训练收敛速度有关系。 在下面的 `Adam optimizer``learning_rate`学习率,与网络的训练收敛速度有关系。
```python ```python
def optimizer_program(): def optimizer_program():
...@@ -371,8 +370,7 @@ feed_order = ['pixel', 'label'] ...@@ -371,8 +370,7 @@ feed_order = ['pixel', 'label']
main_program = fluid.default_main_program() main_program = fluid.default_main_program()
star_program = fluid.default_startup_program() star_program = fluid.default_startup_program()
predict = inference_program() avg_cost, acc = train_program()
avg_cost, acc = train_program(predict)
# Test program # Test program
test_program = main_program.clone(for_test=True) test_program = main_program.clone(for_test=True)
......
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图像分类是根据图像的语义信息将不同类别图像区分开来,是计算机视觉中重要的基本问题,也是图像检测、图像分割、物体跟踪、行为分析等其他高层视觉任务的基础。图像分类在很多领域有广泛应用,包括安防领域的人脸识别和智能视频分析等,交通领域的交通场景识别,互联网领域基于内容的图像检索和相册自动归类,医学领域的图像识别等。 图像分类是根据图像的语义信息将不同类别图像区分开来,是计算机视觉中重要的基本问题,也是图像检测、图像分割、物体跟踪、行为分析等其他高层视觉任务的基础。图像分类在很多领域有广泛应用,包括安防领域的人脸识别和智能视频分析等,交通领域的交通场景识别,互联网领域基于内容的图像检索和相册自动归类,医学领域的图像识别等。
一般来说,图像分类通过手工特征或特征学习方法对整个图像进行全部描述,然后使用分类器判别物体类别,因此如何提取图像的特征至关重要。在深度学习算法之前使用较多的是基于词袋(Bag of Words)模型的物体分类方法。词袋方法从自然语言处理中引入,即一句话可以用一个装了词的袋子表示其特征,袋子中的词为句子中的单词、短语或字。对于图像而言,词袋方法需要构建字典。最简单的词袋模型框架可以设计为**底层特征抽取**、**特征编码**、**分类器设计**三个过程。 一般来说,图像分类通过手工提取特征或特征学习方法对整个图像进行全部描述,然后使用分类器判别物体类别,因此如何提取图像的特征至关重要。在深度学习算法之前使用较多的是基于词袋(Bag of Words)模型的物体分类方法。词袋方法从自然语言处理中引入,即一句话可以用一个装了词的袋子表示其特征,袋子中的词为句子中的单词、短语或字。对于图像而言,词袋方法需要构建字典。最简单的词袋模型框架可以设计为**底层特征抽取**、**特征编码**、**分类器设计**三个过程。
而基于深度学习的图像分类方法,可以通过有监督或无监督的方式**学习**层次化的特征描述,从而取代了手工设计或选择图像特征的工作。深度学习模型中的卷积神经网络(Convolution Neural Network, CNN)近年来在图像领域取得了惊人的成绩,CNN直接利用图像像素信息作为输入,最大程度上保留了输入图像的所有信息,通过卷积操作进行特征的提取和高层抽象,模型输出直接是图像识别的结果。这种基于"输入-输出"直接端到端的学习方法取得了非常好的效果,得到了广泛的应用。 而基于深度学习的图像分类方法,可以通过有监督或无监督的方式**学习**层次化的特征描述,从而取代了手工设计或选择图像特征的工作。深度学习模型中的卷积神经网络(Convolution Neural Network, CNN)近年来在图像领域取得了惊人的成绩,CNN直接利用图像像素信息作为输入,最大程度上保留了输入图像的所有信息,通过卷积操作进行特征的提取和高层抽象,模型输出直接是图像识别的结果。这种基于"输入-输出"直接端到端的学习方法取得了非常好的效果,得到了广泛的应用。
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在2012年之前的传统图像分类方法可以用背景描述中提到的三步完成,但通常完整建立图像识别模型一般包括底层特征学习、特征编码、空间约束、分类器设计、模型融合等几个阶段。 在2012年之前的传统图像分类方法可以用背景描述中提到的三步完成,但通常完整建立图像识别模型一般包括底层特征学习、特征编码、空间约束、分类器设计、模型融合等几个阶段。
1). **底层特征提取**: 通常从图像中按照固定步长、尺度提取大量局部特征描述。常用的局部特征包括SIFT(Scale-Invariant Feature Transform, 尺度不变特征转换) \[[1](#参考文献)\]、HOG(Histogram of Oriented Gradient, 方向梯度直方图) \[[2](#参考文献)\]、LBP(Local Bianray Pattern, 局部二值模式) \[[3](#参考文献)\] 等,一般也采用多种特征描述,防止丢失过多的有用信息。 1). **底层特征提取**: 通常从图像中按照固定步长、尺度提取大量局部特征描述。常用的局部特征包括SIFT(Scale-Invariant Feature Transform, 尺度不变特征转换) \[[1](#参考文献)\]、HOG(Histogram of Oriented Gradient, 方向梯度直方图) \[[2](#参考文献)\]、LBP(Local Bianray Pattern, 局部二值模式) \[[3](#参考文献)\] 等,一般也采用多种特征描述,防止丢失过多的有用信息。
2). **特征编码**: 底层特征中包含了大量冗余与噪声,为了提高特征表达的鲁棒性,需要使用一种特征变换算法对底层特征进行编码,称作特征编码。常用的特征编码包括向量量化编码 \[[4](#参考文献)\]、稀疏编码 \[[5](#参考文献)\]、局部线性约束编码 \[[6](#参考文献)\]、Fisher向量编码 \[[7](#参考文献)\] 等。 2). **特征编码**: 底层特征中包含了大量冗余与噪声,为了提高特征表达的鲁棒性,需要使用一种特征变换算法对底层特征进行编码,称作特征编码。常用的特征编码方法包括向量量化编码 \[[4](#参考文献)\]、稀疏编码 \[[5](#参考文献)\]、局部线性约束编码 \[[6](#参考文献)\]、Fisher向量编码 \[[7](#参考文献)\] 等。
3). **空间特征约束**: 特征编码之后一般会经过空间特征约束,也称作**特征汇聚**。特征汇聚是指在一个空间范围内,对每一维特征取最大值或者平均值,可以获得一定特征不变形的特征表达。金字塔特征匹配是一种常用的特征聚会方法,这种方法提出将图像均匀分块,在分块内做特征汇聚。 3). **空间特征约束**: 特征编码之后一般会经过空间特征约束,也称作**特征汇聚**。特征汇聚是指在一个空间范围内,对每一维特征取最大值或者平均值,可以获得一定特征不变形的特征表达。金字塔特征匹配是一种常用的特征聚会方法,这种方法提出将图像均匀分块,在分块内做特征汇聚。
4). **通过分类器分类**: 经过前面步骤之后一张图像可以用一个固定维度的向量进行描述,接下来就是经过分类器对图像进行分类。通常使用的分类器包括SVM(Support Vector Machine, 支持向量机)、随机森林等。而使用核方法的SVM是最为广泛的分类器,在传统图像分类任务上性能很好。 4). **通过分类器分类**: 经过前面步骤之后一张图像可以用一个固定维度的向量进行描述,接下来就是经过分类器对图像进行分类。通常使用的分类器包括SVM(Support Vector Machine, 支持向量机)、随机森林等。而使用核方法的SVM是最为广泛的分类器,在传统图像分类任务上性能很好。
这种方法在PASCAL VOC竞赛中的图像分类算法中被广泛使用 \[[18](#参考文献)\]。[NEC实验室](http://www.nec-labs.com/)在ILSVRC2010中采用SIFT和LBP特征,两个非线性编码器以及SVM分类器获得图像分类的冠军 \[[8](#参考文献)\]。 这种传统的图像分类方法在PASCAL VOC竞赛中的图像分类算法中被广泛使用 \[[18](#参考文献)\]。[NEC实验室](http://www.nec-labs.com/)在ILSVRC2010中采用SIFT和LBP特征,两个非线性编码器以及SVM分类器获得图像分类的冠军 \[[8](#参考文献)\]。
Alex Krizhevsky在2012年ILSVRC提出的CNN模型 \[[9](#参考文献)\] 取得了历史性的突破,效果大幅度超越传统方法,获得了ILSVRC2012冠军,该模型被称作AlexNet。这也是首次将深度学习用于大规模图像分类中。从AlexNet之后,涌现了一系列CNN模型,不断地在ImageNet上刷新成绩,如图4展示。随着模型变得越来越深以及精妙的结构设计,Top-5的错误率也越来越低,降到了3.5%附近。而在同样的ImageNet数据集上,人眼的辨识错误率大概在5.1%,也就是目前的深度学习模型的识别能力已经超过了人眼。 Alex Krizhevsky在2012年ILSVRC提出的CNN模型 \[[9](#参考文献)\] 取得了历史性的突破,效果大幅度超越传统方法,获得了ILSVRC2012冠军,该模型被称作AlexNet。这也是首次将深度学习用于大规模图像分类中。从AlexNet之后,涌现了一系列CNN模型,不断地在ImageNet上刷新成绩,如图4展示。随着模型变得越来越深以及精妙的结构设计,Top-5的错误率也越来越低,降到了3.5%附近。而在同样的ImageNet数据集上,人眼的辨识错误率大概在5.1%,也就是目前的深度学习模型的识别能力已经超过了人眼。
...@@ -119,7 +119,7 @@ Alex Krizhevsky在2012年ILSVRC提出的CNN模型 \[[9](#参考文献)\] 取得 ...@@ -119,7 +119,7 @@ Alex Krizhevsky在2012年ILSVRC提出的CNN模型 \[[9](#参考文献)\] 取得
- 卷积层(convolution layer): 执行卷积操作提取底层到高层的特征,发掘出图片局部关联性质和空间不变性质。 - 卷积层(convolution layer): 执行卷积操作提取底层到高层的特征,发掘出图片局部关联性质和空间不变性质。
- 池化层(pooling layer): 执行降采样操作。通过取卷积输出特征图中局部区块的最大值(max-pooling)或者均值(avg-pooling)。降采样也是图像处理中常见的一种操作,可以过滤掉一些不重要的高频信息。 - 池化层(pooling layer): 执行降采样操作。通过取卷积输出特征图中局部区块的最大值(max-pooling)或者均值(avg-pooling)。降采样也是图像处理中常见的一种操作,可以过滤掉一些不重要的高频信息。
- 全连接层(fully-connected layer,或者fc layer): 输入层到隐藏层的神经元是全部连接的。 - 全连接层(fully-connected layer,或者fc layer): 输入层到隐藏层的神经元是全部连接的。
- 非线性变化: 卷积层、全连接层后面一般都会接非线性变化,例如Sigmoid、Tanh、ReLu等来增强网络的表达能力,在CNN里最常使用的为ReLu激活函数。 - 非线性变化: 卷积层、全连接层后面一般都会接非线性变化函数,例如Sigmoid、Tanh、ReLu等来增强网络的表达能力,在CNN里最常使用的为ReLu激活函数。
- Dropout \[[10](#参考文献)\] : 在模型训练阶段随机让一些隐层节点权重不工作,提高网络的泛化能力,一定程度上防止过拟合。 - Dropout \[[10](#参考文献)\] : 在模型训练阶段随机让一些隐层节点权重不工作,提高网络的泛化能力,一定程度上防止过拟合。
另外,在训练过程中由于每层参数不断更新,会导致下一次输入分布发生变化,这样导致训练过程需要精心设计超参数。如2015年Sergey Ioffe和Christian Szegedy提出了Batch Normalization (BN)算法 \[[14](#参考文献)\] 中,每个batch对网络中的每一层特征都做归一化,使得每层分布相对稳定。BN算法不仅起到一定的正则作用,而且弱化了一些超参数的设计。经过实验证明,BN算法加速了模型收敛过程,在后来较深的模型中被广泛使用。 另外,在训练过程中由于每层参数不断更新,会导致下一次输入分布发生变化,这样导致训练过程需要精心设计超参数。如2015年Sergey Ioffe和Christian Szegedy提出了Batch Normalization (BN)算法 \[[14](#参考文献)\] 中,每个batch对网络中的每一层特征都做归一化,使得每层分布相对稳定。BN算法不仅起到一定的正则作用,而且弱化了一些超参数的设计。经过实验证明,BN算法加速了模型收敛过程,在后来较深的模型中被广泛使用。
...@@ -152,7 +152,7 @@ Inception模块如下图7所示,图(a)是最简单的设计,输出是3个卷 ...@@ -152,7 +152,7 @@ Inception模块如下图7所示,图(a)是最简单的设计,输出是3个卷
图7. Inception模块 图7. Inception模块
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GoogleNet由多组Inception模块堆积而成。另外,在网络最后也没有采用传统的多层全连接层,而是像NIN网络一样采用了均值池化层;但与NIN不同的是,池化层后面接了一层到类别数映射的全连接层。除了这两个特点之外,由于网络中间层特征也很有判别性,GoogleNet在中间层添加了两个辅助分类器,在后向传播中增强梯度并且增强正则化,而整个网络的损失函数是这个三个分类器的损失加权求和。 GoogleNet由多组Inception模块堆积而成。另外,在网络最后也没有采用传统的多层全连接层,而是像NIN网络一样采用了均值池化层;但与NIN不同的是,GoogleNet在池化层后加了一个全连接层来映射类别数。除了这两个特点之外,由于网络中间层特征也很有判别性,GoogleNet在中间层添加了两个辅助分类器,在后向传播中增强梯度并且增强正则化,而整个网络的损失函数是这个三个分类器的损失加权求和。
GoogleNet整体网络结构如图8所示,总共22层网络:开始由3层普通的卷积组成;接下来由三组子网络组成,第一组子网络包含2个Inception模块,第二组包含5个Inception模块,第三组包含2个Inception模块;然后接均值池化层、全连接层。 GoogleNet整体网络结构如图8所示,总共22层网络:开始由3层普通的卷积组成;接下来由三组子网络组成,第一组子网络包含2个Inception模块,第二组包含5个Inception模块,第三组包含2个Inception模块;然后接均值池化层、全连接层。
...@@ -167,7 +167,7 @@ GoogleNet整体网络结构如图8所示,总共22层网络:开始由3层普 ...@@ -167,7 +167,7 @@ GoogleNet整体网络结构如图8所示,总共22层网络:开始由3层普
### ResNet ### ResNet
ResNet(Residual Network) \[[15](#参考文献)\] 是2015年ImageNet图像分类、图像物体定位和图像物体检测比赛的冠军。针对训练卷积神经网络时加深网络导致准确度下降的问题,ResNet提出了采用残差学习。在已有设计思路(BN, 小卷积核,全卷积网络)的基础上,引入了残差模块。每个残差模块包含两条路径,其中一条路径是输入特征的直连通路,另一条路径对该特征做两到三次卷积操作得到该特征的残差,最后再将两条路径上的特征相加。 ResNet(Residual Network) \[[15](#参考文献)\] 是2015年ImageNet图像分类、图像物体定位和图像物体检测比赛的冠军。针对随着网络训练加深导致准确度下降的问题,ResNet提出了残差学习方法来减轻训练深层网络的困难。在已有设计思路(BN, 小卷积核,全卷积网络)的基础上,引入了残差模块。每个残差模块包含两条路径,其中一条路径是输入特征的直连通路,另一条路径对该特征做两到三次卷积操作得到该特征的残差,最后再将两条路径上的特征相加。
残差模块如图9所示,左边是基本模块连接方式,由两个输出通道数相同的3x3卷积组成。右边是瓶颈模块(Bottleneck)连接方式,之所以称为瓶颈,是因为上面的1x1卷积用来降维(图示例即256->64),下面的1x1卷积用来升维(图示例即64->256),这样中间3x3卷积的输入和输出通道数都较小(图示例即64->64)。 残差模块如图9所示,左边是基本模块连接方式,由两个输出通道数相同的3x3卷积组成。右边是瓶颈模块(Bottleneck)连接方式,之所以称为瓶颈,是因为上面的1x1卷积用来降维(图示例即256->64),下面的1x1卷积用来升维(图示例即64->256),这样中间3x3卷积的输入和输出通道数都较小(图示例即64->64)。
...@@ -257,7 +257,7 @@ def vgg_bn_drop(input): ...@@ -257,7 +257,7 @@ def vgg_bn_drop(input):
3. 最后接两层512维的全连接。 3. 最后接两层512维的全连接。
4. 通过上面VGG网络提取高层特征,然后经过全连接层映射到类别维度大小的向量,再通过Softmax归一化得到每个类别的概率,也可称作分类器 4. 在这里,VGG网络首先提取高层特征,随后在全连接层中将其映射到和类别维度大小一致的向量上,最后通过Softmax方法计算图片划为每个类别的概率
### ResNet ### ResNet
...@@ -268,7 +268,6 @@ ResNet模型的第1、3、4步和VGG模型相同,这里不再介绍。主要 ...@@ -268,7 +268,6 @@ ResNet模型的第1、3、4步和VGG模型相同,这里不再介绍。主要
- `conv_bn_layer` : 带BN的卷积层。 - `conv_bn_layer` : 带BN的卷积层。
- `shortcut` : 残差模块的"直连"路径,"直连"实际分两种形式:残差模块输入和输出特征通道数不等时,采用1x1卷积的升维操作;残差模块输入和输出通道相等时,采用直连操作。 - `shortcut` : 残差模块的"直连"路径,"直连"实际分两种形式:残差模块输入和输出特征通道数不等时,采用1x1卷积的升维操作;残差模块输入和输出通道相等时,采用直连操作。
- `basicblock` : 一个基础残差模块,即图9左边所示,由两组3x3卷积组成的路径和一条"直连"路径组成。 - `basicblock` : 一个基础残差模块,即图9左边所示,由两组3x3卷积组成的路径和一条"直连"路径组成。
- `bottleneck` : 一个瓶颈残差模块,即图9右边所示,由上下1x1卷积和中间3x3卷积组成的路径和一条"直连"路径组成。
- `layer_warp` : 一组残差模块,由若干个残差模块堆积而成。每组中第一个残差模块滑动窗口大小与其他可以不同,以用来减少特征图在垂直和水平方向的大小。 - `layer_warp` : 一组残差模块,由若干个残差模块堆积而成。每组中第一个残差模块滑动窗口大小与其他可以不同,以用来减少特征图在垂直和水平方向的大小。
```python ```python
...@@ -319,7 +318,7 @@ def layer_warp(block_func, input, ch_in, ch_out, count, stride): ...@@ -319,7 +318,7 @@ def layer_warp(block_func, input, ch_in, ch_out, count, stride):
3. 最后对网络做均值池化并返回该层。 3. 最后对网络做均值池化并返回该层。
注意:除过第一层卷积层和最后一层全连接层之外,要求三组 `layer_warp` 总的含参层数能够被6整除,即 `resnet_cifar10` 的 depth 要满足 $(depth - 2) % 6 == 0$ 。 注意:除第一层卷积层和最后一层全连接层之外,要求三组 `layer_warp` 总的含参层数能够被6整除,即 `resnet_cifar10` 的 depth 要满足 $(depth - 2) % 6 = 0$ 。
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def resnet_cifar10(ipt, depth=32): def resnet_cifar10(ipt, depth=32):
...@@ -373,7 +372,7 @@ def train_program(): ...@@ -373,7 +372,7 @@ def train_program():
## Optimizer Function 配置 ## Optimizer Function 配置
在下面的 `Adam optimizer`,`learning_rate` 是训练的速度,与网络的训练收敛速度有关系。 在下面的 `Adam optimizer`,`learning_rate` 是学习率,与网络的训练收敛速度有关系。
```python ```python
def optimizer_program(): def optimizer_program():
...@@ -413,8 +412,7 @@ feed_order = ['pixel', 'label'] ...@@ -413,8 +412,7 @@ feed_order = ['pixel', 'label']
main_program = fluid.default_main_program() main_program = fluid.default_main_program()
star_program = fluid.default_startup_program() star_program = fluid.default_startup_program()
predict = inference_program() avg_cost, acc = train_program()
avg_cost, acc = train_program(predict)
# Test program # Test program
test_program = main_program.clone(for_test=True) test_program = main_program.clone(for_test=True)
......
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