基于全采樣和L1范數(shù)降采樣的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像分類方法

宋婷婷，徐世許

（青島大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引言

近年來(lái)，隨著計(jì)算能力的提升和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像分類任務(wù)中的表現(xiàn)逐年變強(qiáng)，相比全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[1-4]的性能提升了很多。自2012年，AlexNet[5]獲得ILSVRC（ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge）圖像分類項(xiàng)目冠軍之后，2014年亞軍、2014年冠軍和 2015年冠軍也分別被卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) VGGNet[6]、Google InceptionNet[7]和ResNet[8]獲得。在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，池化層對(duì)分類性能有重要影響。根據(jù) Springenberg等[9]的分析，池化層的作用相當(dāng)于卷積層中的激活函數(shù)，只是用p范數(shù)替代了激活函數(shù)。池化層通過減小輸入尺寸來(lái)減少后一層的參數(shù)量和計(jì)算量。在最大池化層中，每個(gè)池化窗口中最大值被認(rèn)為是對(duì)分類“最有用”的信息而得以保留，其余信息被丟棄。而實(shí)際上，被丟棄的信息也可能對(duì)分類任務(wù)來(lái)說是有用的。針對(duì)最大池化的這一問題，本文提出全采樣方法和基于 L1范數(shù)的降采樣方法替代最大池化層，在CIFAR-10和MNIST數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同、參數(shù)不增加的情況下，所提方法的分類準(zhǔn)確率高于最大池化方法。

1 全采樣和基于L1范數(shù)的降采樣

1.1 全采樣

全采樣包括重新組織輸入信息和使用 1×1卷積恢復(fù)通道數(shù)兩步。以尺寸為4×4、通道數(shù)為L(zhǎng)的輸入為例，介紹全采樣是如何重新組織輸入的。如圖1所示，輸入包括16個(gè)尺寸為1×1、通道數(shù)為L(zhǎng)的張量（多維數(shù)組），并且進(jìn)行了編號(hào)。一個(gè)尺寸為2×2，步長(zhǎng)為2的窗口遍歷輸入，窗口中的四個(gè)張量被抽取出來(lái)，然后滑動(dòng)窗口，重復(fù)上述操作，直至遍歷結(jié)束。把每次抽取出來(lái)的相同位置上的張量拼成尺寸為2×2，通道數(shù)為L(zhǎng)的張量，然后把這四個(gè)張量在通道維度上拼接成尺寸為2×2，通道數(shù)為4L的張量。為了把通道數(shù)恢復(fù)為L(zhǎng)，后緊跟一個(gè)包含L個(gè)1×1卷積核的卷積層。

1.2 基于L1范數(shù)的降采樣

如果要減少全采樣過程中 1×1卷積層的參數(shù)量，可以保留每個(gè)窗口的4個(gè)張量中L1范數(shù)最大的k∈ { 1,2,3}個(gè)張量，而不是所有的張量，這就是基于L1范數(shù)的降采樣方法。假設(shè)原輸入尺寸為 DF×DF（要求 DF為大于零的偶數(shù)），通道數(shù)為 L。圖 2給出了使用 L1范數(shù)進(jìn)行降采樣(k=3)的示意圖，DF= 4 。使用tensorflow[10,11]實(shí)現(xiàn)的具體步驟為：

步驟一，對(duì)原輸入進(jìn)行切片，得到四個(gè)新輸入，第一個(gè)新輸入與原輸入相同，第二個(gè)新輸入是原輸入右邊 DF×(DF-1)的部分，第三個(gè)新輸入是原輸入下邊(DF- 1 )× DF的部分，第四個(gè)新輸入是原輸入右下(DF- 1 )× ( DF- 1 )的部分；

步驟二，對(duì)每個(gè)新輸入進(jìn)行1×1、步長(zhǎng)為2的最大池化，得到四個(gè)張量，每個(gè)張量的尺寸為

步驟三，計(jì)算步驟二得到的四個(gè)張量的 L1范數(shù)；

2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了比較全采樣方法、基于L1范數(shù)的降采樣方法和最大池化方法，本文使用結(jié)構(gòu)相同的四個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：FS-CNN、L1-Norm-CNN(k=3)、L1-Norm-CNN(k=2)和MP-CNN。每個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)如表1所示。受VGGNet啟發(fā)，堆疊3×3卷積層就可以獲得不錯(cuò)的分類準(zhǔn)確率，每個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都只使用 3×3的卷積層。每個(gè)卷積層后都緊跟一個(gè)BN（Batch Normalization 批歸一化）層[12]用于加速訓(xùn)練過程，再使用ReLU（Rectified Linear Unit修正線性單元）層[13]作為激活函數(shù)。

（1）FS-CNN（Fully-Sampled-CNN）。第一層和第二層都是卷積層，分別包含96個(gè)3×3卷積核。第三層是全采樣層，包含一個(gè)96個(gè)1×1卷積核的卷積層。第四層和第五層是卷積層，分別包含 192個(gè)3×3卷積核。第六層是全采樣層，包含一個(gè)192個(gè)1×1卷積核的卷積層。第七層是包含192個(gè)3×3卷積核的卷積層。第八層是包含192個(gè)1×1卷積核的卷積層。第九層是包含10個(gè)1×1卷積核的卷積層。第十層是全局平均池化層，滑動(dòng)窗口尺寸為7×7，得到尺寸為 1×1、通道數(shù)為 10的輸出，正好對(duì)應(yīng)下小節(jié)實(shí)驗(yàn)中CIFAR10和MNIST的圖片種類。最后一層為softmax層。

（2）L1-CNN(k=3) (L1-Norm-CNN with k=3)。與FS-CNN的區(qū)別在于，L1- CNN(k=3)的第三層和第六層換成了基于 L1范數(shù)的降采樣層，選取了 3個(gè)L1范數(shù)最大的張量。

（3）L1-CNN(k=2)。與 L1-CNN(k=3)的區(qū)別在于，L1-CNN(k=2)降采樣層選取了2個(gè)L1范數(shù)最大的張量。

（4）MP-CNN（MaxPool-CNN）。為了說明FS-CNN比MP-CNN的性能提升既不是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致，也不是因?yàn)樵黾訁?shù)導(dǎo)致，把MP-CNN的最大池化層的輸出拷貝4份，然后在通道維度上拼接起來(lái)，后接一層 1×1卷積層，使 MP-CNN和FS-CNN的結(jié)構(gòu)和參數(shù)個(gè)數(shù)都相同。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)為Tensorflow 1.2 GPU版本，使用 Python 3.4作為開發(fā)語(yǔ)言，使用 cuda8.0和cudnn5.1作為運(yùn)算平臺(tái)，開發(fā)系統(tǒng)為ubuntu14.04。硬件平臺(tái)主要元件的規(guī)格型號(hào)如表2所示。

圖1 全采樣過程示意圖Fig.1 Full sampling process diagram

圖2 基于L1范數(shù)的降采樣方法的tensorflow實(shí)現(xiàn)示意圖Fig.2 The diagram of tensorflow implementation of the down-sampling method based on L1 norm

表1 實(shí)驗(yàn)使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)Tab.1 The structure of the convolutional neural networks used in experiments

3.1 CIFAR-10數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

CIFAR-10數(shù)據(jù)集包含10類物體的圖像，每類物體有6000張圖片，50000張用于訓(xùn)練，10000張用于測(cè)試，圖像尺寸為32×32。實(shí)驗(yàn)使用了數(shù)據(jù)增強(qiáng)（data augmentation）技術(shù)，包括隨機(jī)剪切、左右翻轉(zhuǎn)、調(diào)整亮度、調(diào)整色調(diào)、調(diào)整飽和度和調(diào)整對(duì)比度。隨機(jī)剪切時(shí)從原圖像中隨機(jī)截取28×28的連續(xù)像素區(qū)域。歸一化數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的圖像作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。訓(xùn)練方法采用最小批梯度下降法（Mini Batch Gradient Descent），使用交叉熵函數(shù)作為損失函數(shù)，每批訓(xùn)練數(shù)據(jù)包含50張圖片。采用Xavier[14]方法對(duì)參數(shù)初始化，每層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)按照下列均勻分布進(jìn)行初始化：

其中，ni表示當(dāng)前層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量，ni+1表示下一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量。參數(shù)更新采用Adam方法[15]。訓(xùn)練總迭代次數(shù)設(shè)置為300000次。為了比較不同卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能，將四個(gè)網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)包括一個(gè)訓(xùn)練過程和一個(gè)測(cè)試過程。

表2 硬件平臺(tái)主要元件的規(guī)格型號(hào)Tab.2 Specifications of the main components of the hardware platform

表3 CIFAR-10數(shù)據(jù)集上的平均分類準(zhǔn)確率（單位：%，使用了數(shù)據(jù)增強(qiáng)）Tab.3 The average classification accuracy on CIFAR-10 datasets. (Unit: %, with data augmentation)

表4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量（單位：百萬(wàn)）Tab.4 The number of parameters of the convolutional neural networks. (Unit: million)

所有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平均分類準(zhǔn)確率如表3所示，參數(shù)量如表4所示。平均準(zhǔn)確率是三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。從表3可以看到，分類準(zhǔn)確率最高的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是 FS-CNN，L1-CNN的分類準(zhǔn)確率低于FS-CNN、高于MP-CNN。表4給出了所有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量，F(xiàn)S-CNN與 MP-CNN的參數(shù)量相同，L1-CNN的參數(shù)量略少一些。從表3和表4中可以看出，當(dāng)輸入的四分之一被丟棄時(shí)（L1-CNN(k=3)），分類準(zhǔn)確率與輸入全部保留時(shí)（FS-CNN）相比下降了 0.49%，當(dāng)輸入的四分之二被丟棄時(shí)（L1-CNN(k=2)），分類準(zhǔn)確率繼續(xù)下降，與丟棄四分之一輸入時(shí)相比下降了0.41%，已經(jīng)與MP-CNN的分類準(zhǔn)確率89.60%差別不大。這說明輸入信息都是對(duì)分類“有用的”，盡管貢獻(xiàn)大小可能不一樣，丟棄的輸入越多，對(duì)分類越不利。

3.2 MNIST數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)結(jié)果

MNIST數(shù)據(jù)集包含60000張手寫體阿拉伯?dāng)?shù)字圖片，訓(xùn)練集包含55000張圖片，驗(yàn)證集包含5000張圖片，測(cè)試集包含10000張圖片。所有圖片都是灰度圖，尺寸為28×28。訓(xùn)練迭代次數(shù)為20000次，沒有使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)，直接把28×28原始灰度圖片作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，實(shí)驗(yàn)所用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、訓(xùn)練方法和參數(shù)設(shè)置與 CIFAR-10相同。平均分類準(zhǔn)確率如表5所示，MNIST上平均分類準(zhǔn)確率的排名與CIFAR-10相同。因?yàn)镸NIST相比CIFAR-10分類難度低，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類準(zhǔn)確率都比較高。因?yàn)镸NIST實(shí)驗(yàn)所用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與CIFAR-10數(shù)據(jù)集相同，所以參數(shù)量與表4相差很小，故不再單獨(dú)列出。MNIST實(shí)驗(yàn)也說明，與MP-CNN相比，F(xiàn)S-CNN和L1-CNN (k=3)使用了更多對(duì)分類“有用”的輸入信息，從而提高了分類準(zhǔn)確率因?yàn)榇蟛糠稚窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的平均分類準(zhǔn)確率較高。

表5 MNIST數(shù)據(jù)集上的平均分類準(zhǔn)確率（單位：%，沒有使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)）Tab.5 The average classification accuracy on MNIST datasets. (Unit: %, without data augmentation)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的降采樣層入手，針對(duì)最大池化丟棄對(duì)圖像分類“有用”的信息這一問題，提出了全采樣方法和基于L1范數(shù)的降采樣方法。分別保留全部輸入和部分輸入。在 CIFAR-10和MNIST上的實(shí)驗(yàn)表明，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同、參數(shù)量也相同甚至更少的情況下，所提方法比最大池化的分類準(zhǔn)確率高，說明使用的輸入信息越多，分類準(zhǔn)確率越高。

[1] 楊燕, 劉剛, 張龍. 基于2DPCA和LDA的人臉圖像預(yù)處理與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉圖像識(shí)別研究[J]. 軟件, 2014,35(2): 115-118.

[2] 王宏濤, 孫劍偉. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVM的分類方法研究[J]. 軟件, 2015, 36(11): 96-99.

[3] 安大海, 蔣硯軍. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識(shí)別系統(tǒng)[J]. 軟件, 2015, 36(12): 76-79.

[4] 王新年, 張濤, 王海姣. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和先驗(yàn)知識(shí)的低分辨率車牌字符復(fù)原方法[J]. 新型工業(yè)化, 2011, 1(6): 78-83.

[5] A. Krizhevsky, I. Sutskever, and G. E. Hinton, Imagenet classification with deep convolutional neural networks[C],Advances in neural information processing systems, 2012:1097-1105.

[6] K. Simonyan, A. Zisserman, Very deep convolutional networks for large-scale image recognition[J], arXiv preprint arXiv: 1409. 1556, 2014.

[7] C. Szegedy, W. Liu, Y. Jia, et al, Going deeper with convo-lutions[C], Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition, 2015: 1-9.

[8] K. He, X. Zhang, S. Ren, et al, Deep residual learning for image recognition[C], Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2016: 770-778.

[9] J. T. Springenberg, A. Dosovitskiy, T. Brox, et al, Striving for simplicity: The all convolutional net[J], arXiv preprint arXiv: 1412. 6806, 2014.

[10] 才云科技Caicloud, 鄭澤宇, 顧思宇. TensorFlow: 實(shí)戰(zhàn)Google深度學(xué)習(xí)框架[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2017.

[11] 山姆·亞伯拉罕著. 段菲, 陳澎譯. 面向機(jī)器智能的TensorFlow實(shí)踐[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2017.

[12] S. Ioffe, C. Szegedy, Batch normalization: Accelerating deep network training by reducing internal covariate shift[C], International Conference on Machine Learning,2015: 448-456.

[13] V. Nair, G. E. Hinton, Rectified linear units improve restricted boltzmann machines[C], Proceedings of the 27th international conference on machine learning, 2010: 807-814.

[14] X. Glorot, Y. Bengio, Understanding the difficulty of training deep feedforward neural networks[C], Proceedings of the Thirteenth International Conference on Artificial Intelligence and Statistics, 2010: 249-256.

[15] 何宇健. Python與機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)戰(zhàn): 決策樹、集成學(xué)習(xí)、支持向量機(jī)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法詳解及編程實(shí)現(xiàn)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2017.