選自Analytics Vidhya
作者：FAIZAN SHAIKH
機(jī)器之心編譯
參與：路雪、李亞洲、黃小天
近日，F(xiàn)aizan Shaikh 在 Analytics Vidhya 發(fā)表了一篇題為《10 Advanced Deep Learning Architectures Data Scientists Should Know!》的文章，總結(jié)了計算機(jī)視覺領(lǐng)域已經(jīng)成效卓著的 10 個深度學(xué)習(xí)架構(gòu)，并附上了每篇論文的地址鏈接和代碼實現(xiàn)。機(jī)器之心對該文進(jìn)行了編譯，原文鏈接請見文末。
時刻跟上深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的最新進(jìn)展變的越來越難，幾乎每一天都有創(chuàng)新或新應(yīng)用。但是，大多數(shù)進(jìn)展隱藏在大量發(fā)表的 ArXiv / Springer 研究論文中。
為了時刻了解最新動態(tài)，我們創(chuàng)建了一個閱讀小組，在 Analytics Vidhya 內(nèi)部分享學(xué)習(xí)成果。我想和大家分享的是一項關(guān)于研究社區(qū)開發(fā)出的高級架構(gòu)的調(diào)查。
本文包括深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的最新進(jìn)展、keras 庫中的代碼實現(xiàn)以及論文鏈接。為保證文章簡明，我只總結(jié)了計算機(jī)視覺領(lǐng)域的成功架構(gòu)。
什么是高級架構(gòu)？
相比于單一的傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，深度學(xué)習(xí)算法由多樣化的模型組成；這是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建一個完整的端到端的模型時所提供的靈活性。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有時可比作樂高塊，借助想象力你幾乎可以用它建構(gòu)從簡單到復(fù)雜的任何結(jié)構(gòu)。
我們可以把高級架構(gòu)定義為一個具有良好記錄的成功模型；這主要見于挑戰(zhàn)賽中，比如 ImageNet，其中你的任務(wù)是借助給定的數(shù)據(jù)解決圖像識別等問題。
正如下文所描述的每一個架構(gòu)，其中每一個都與常見的模型有細(xì)微不同，在解決問題時這成了一種優(yōu)勢。這些架構(gòu)同樣屬于「深度」模型的范疇，因此有可能比淺層模型表現(xiàn)更好。
計算機(jī)視覺任務(wù)的類型
本文主要聚焦于計算機(jī)視覺，因此很自然地描述了計算機(jī)視覺任務(wù)的分類。顧名思義，計算機(jī)視覺即通過創(chuàng)建人工模型來模擬本由人類執(zhí)行的視覺任務(wù)。其本質(zhì)是人類的感知與觀察是一個過程，它可在人工系統(tǒng)中被理解和實現(xiàn)。
計算機(jī)視覺任務(wù)的主要類型如下：
物體識別／分類：在物體識別中，給出一張原始圖像，你的任務(wù)是識別出該圖像屬于哪個類別。
分類+定位：如果圖像中只有一個物體，你的任務(wù)是找到該物體在圖像中的位置，一個更專業(yè)的稱謂是定位。
物體檢測：在物體檢測中，你的任務(wù)是找到圖像中多個物體的各自位置。這些物體可能屬于同一類別，或者各自不同。
圖像分割：圖像分割是一個稍微復(fù)雜的任務(wù)，其目標(biāo)是將每一個像素映射到正確的分類。
深度學(xué)習(xí)架構(gòu)清單
現(xiàn)在我們明白了什么是高級架構(gòu)，并探討了計算機(jī)視覺的任務(wù)分類，現(xiàn)在讓我們列舉并描述一下最重要的深度學(xué)習(xí)架構(gòu)吧。
1. AlexNet
AlexNet 是首個深度架構(gòu)，它由深度學(xué)習(xí)先驅(qū) Geoffrey Hinton 及其同僚共同引入。AlexNet 是一個簡單卻功能強大的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為深度學(xué)習(xí)的開創(chuàng)性研究鋪平了道路。下圖是論文作者提出架構(gòu)的示圖。
如圖所示，分解后的 AlexNet 像是一個簡單的架構(gòu)，卷積層和池化層層疊加，最上層是全連接層。這是一個非常簡單的架構(gòu)，其早在 80 年代就已被概念化。但是該模型的突出特征是其執(zhí)行任務(wù)的規(guī)模與使用 GPU 進(jìn)行訓(xùn)練。20 世紀(jì) 80 年代，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用的是 CPU，而 AlexNet 借助 GPU 將訓(xùn)練提速了 10x。
論文：ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks
鏈接：https://papers.nips.cc/paper/4824-imagenet-classification-with-deep-convolutional-neural-networks.pdf
代碼實現(xiàn)：https://gist.github.com/JBed/c2fb3ce8ed299f197eff
2. VGG Net
VGG 網(wǎng)絡(luò)由牛津可視化圖形組（Visual Graphics Group）開發(fā)，因此其名稱為 VGG。該網(wǎng)絡(luò)的特點是金字塔形，與圖像最近的底層比較寬，而頂層很深。
如上圖所示，VGG 包含池化層之后的卷積層，池化層負(fù)責(zé)使層變窄。他們在論文中提出多個此類網(wǎng)絡(luò)，不同之處在于架構(gòu)深度的變化。
VGG 的優(yōu)勢：
適合在特定任務(wù)上進(jìn)行基準(zhǔn)測試。
VGG 的預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)可在互聯(lián)網(wǎng)上免費獲取，因此被廣泛用于各種應(yīng)用。
另一方面，它的主要缺陷在于如果從頭訓(xùn)練，則過程緩慢。即使在性能很好的 GPU 上，也需要一周多的時間才能完成訓(xùn)練。
論文：Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition
鏈接：https://arxiv.org/abs/1409.1556
代碼實現(xiàn)：https://github.com/fchollet/keras/blob/master/keras/applications/vgg16.py
3. GoogleNet
GoogleNet（或 Inception 網(wǎng)絡(luò)）是谷歌研究者設(shè)計的一種架構(gòu)。GoogleNet 是 ImageNet 2014 的冠軍，是當(dāng)時最強大的模型。
該架構(gòu)中，隨著深度增加（它包含 22 層，而 VGG 只有 19 層），研究者還開發(fā)了一種叫作「Inception 模塊」的新型方法。
如上圖所示，它與我們之前看到的序列架構(gòu)發(fā)生了很大改變。單個層中出現(xiàn)了多種「特征抽取器（feature extractor）」。這間接地改善了該網(wǎng)絡(luò)的性能，因為該網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中有多個選項可以選擇，來解決該任務(wù)。它可以選擇與輸入進(jìn)行卷積，也可以直接將其池化。
最終架構(gòu)包括堆疊在一起的多個 inception 模塊。GoogleNet 的訓(xùn)練過程也有稍許不同，即最上層有自己的輸出層。這一細(xì)微差別幫助模型更快地進(jìn)行卷積，因為模型內(nèi)存在聯(lián)合訓(xùn)練和層本身的并行訓(xùn)練。
GoogleNet 的優(yōu)勢在于：
GoogleNet 訓(xùn)練速度比 VGG 快。
預(yù)訓(xùn)練 GoogleNet 的規(guī)模比 VGG 小。VGG 模型大于 500 MB，而 GoogleNet 的大小只有 96MB。
GoogleNet 本身沒有短期劣勢，但是該架構(gòu)的進(jìn)一步改變使模型性能更佳。其中一個變化是 Xception 網(wǎng)絡(luò)，它增加了 inception 模塊的發(fā)散極限（我們可以從上圖中看到 GoogleNet 中有 4 個 inception 模塊）?，F(xiàn)在從理論上講，該架構(gòu)是無限的（因此又叫極限 inception?。?。
論文：Rethinking the Inception Architecture for Computer Vision
鏈接：https://arxiv.org/abs/1512.00567
代碼實現(xiàn)：https://github.com/fchollet/keras/blob/master/keras/applications/inception_v3.py
4.ResNet
ResNet 是一個妖怪般的架構(gòu)，讓我們看到了深度學(xué)習(xí)架構(gòu)能夠有多深。殘差網(wǎng)絡(luò)（ResNet）包含多個后續(xù)殘差模塊，是建立 ResNet 架構(gòu)的基礎(chǔ)。下圖是殘差模塊的表示圖：
簡言之，一個殘差模塊有兩個選擇：完成輸入端的一系列函數(shù)，或者跳過此步驟。
類似于 GoogleNet，這些殘差模塊一個接一個地堆疊，組成了完整的端到端網(wǎng)絡(luò)。
ResNet 引入的新技術(shù)有：
使用標(biāo)準(zhǔn)的 SGD，而非適應(yīng)性學(xué)習(xí)技術(shù)。它聯(lián)通一個合理的初始化函數(shù)（保持訓(xùn)練的完整性）做到的這一點。
輸入預(yù)處理的變化，輸入首先被區(qū)分到圖像塊中，然后輸送到網(wǎng)絡(luò)中。
ResNet 主要的優(yōu)勢是數(shù)百，甚至數(shù)千的殘差層都能被用于創(chuàng)造一個新網(wǎng)絡(luò)，然后訓(xùn)練。這不同于平常的序列網(wǎng)絡(luò)，增加層數(shù)量時表現(xiàn)會下降。
論文：Deep Residual Learning for Image Recognition
鏈接：https://arxiv.org/abs/1512.03385
代碼實現(xiàn)：https://github.com/fchollet/keras/blob/master/keras/applications/resnet50.py
5. ResNeXt
ResNeXt 據(jù)說是解決目標(biāo)識別問題的最先進(jìn)技術(shù)。它建立在 inception 和 resnet 的概念上，并帶來改進(jìn)的新架構(gòu)。下圖是對 ResNeXt 模塊中的殘差模塊的總結(jié)。
圖 1. 左：ResNet 塊。右：基數(shù)=32 的 ResNeXt 塊，復(fù)雜度大致相同。層顯示為（# in channels, filter size, # out channels）。
論文：Aggregated Residual Transformations for Deep Neural Networks
鏈接：https://arxiv.org/pdf/1611.05431.pdf
代碼實現(xiàn)：https://github.com/titu1994/Keras-ResNeXt
6. RCNN (基于區(qū)域的 CNN)
基于區(qū)域的 CNN 架構(gòu)據(jù)說是所有深度學(xué)習(xí)架構(gòu)中對目標(biāo)檢測問題最有影響力的架構(gòu)。為了解決檢測問題，RCNN 嘗試在圖像中所有物體上畫出邊界框，然后識別圖像中的物體。工作原理如下：
RCNN 結(jié)構(gòu)如下：
論文：Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks
鏈接：https://arxiv.org/abs/1506.01497
代碼實現(xiàn)：https://github.com/yhenon/keras-frcnn
7. YOLO (You Only Look once)
YOLO 是當(dāng)前深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域解決圖像檢測問題最先進(jìn)的實時系統(tǒng)。如下圖所示，YOLO 首先將圖像劃分為規(guī)定的邊界框，然后對所有邊界框并行運行識別算法，來確定物體所屬的類別。確定類別之后，yolo 繼續(xù)智能地合并這些邊界框，在物體周圍形成最優(yōu)邊界框。
這些步驟全部并行進(jìn)行，因此 YOLO 能夠?qū)崿F(xiàn)實時運行，并且每秒處理多達(dá) 40 張圖像。
盡管相比于 RCNN 它的表現(xiàn)有所降低，但在日常實時的問題中它還是有優(yōu)勢的。下圖是 YOLO 架構(gòu)的示圖：
論文：You Only Look Once: Unified, Real-Time Object Detection
鏈接：https://pjreddie.com/media/files/papers/yolo.pdf
代碼實現(xiàn)：https://github.com/allanzelener/YAD2K
8.SqueezeNet
SqueeNet 架構(gòu)是在移動平臺這樣的低寬帶場景中極其強大的一種架構(gòu)。這種架構(gòu)只占用 4.9 MB 的空間，而 Inception 架構(gòu)大小為 100MB。這種巨大的差距由一種名為 Fire Module 的特殊結(jié)構(gòu)引起。下圖是 Fire Module 的表示圖：
SqueezeNet 的完整架構(gòu)如下：
論文：SQUEEZENET: ALEXNET-LEVEL ACCURACY WITH 50X FEWER PARAMETERS AND <0.5mb model="">
鏈接：https://arxiv.org/abs/1602.07360
代碼實現(xiàn)：https://github.com/rcmalli/keras-squeezenet
9.SegNet
SegNet 是一個用于解決圖像分割問題的深度學(xué)習(xí)架構(gòu)。它包含處理層（編碼器）序列，之后是對應(yīng)的解碼器序列，用于分類像素。下圖是 SegNet 解析圖：
SegNet 的一個主要特征是在編碼器網(wǎng)絡(luò)的池化指標(biāo)與解碼器網(wǎng)絡(luò)的池化指標(biāo)連接時，分割圖像保留高頻細(xì)節(jié)。簡言之，直接進(jìn)行信息遷移，而非卷積它們。在處理圖像分割問題時，SgeNet 是最好的模型之一。
論文：SegNet: A Deep Convolutional Encoder-Decoder Architecture for Image Segmentation
鏈接：https://arxiv.org/abs/1511.00561
代碼實現(xiàn)：https://github.com/imlab-uiip/keras-segnet
10.GAN
GAN 是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中完全不同的類別。GAN 中，一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于生成全新的、訓(xùn)練集中未曾有過的圖像，但卻足夠真實。例如，以下是 GAN 工作原理的解析圖。
論文：Generative Adversarial Networks
鏈接：https://arxiv.org/abs/1406.2661
代碼實現(xiàn)：https://github.com/bstriner/keras-adversarial
原文地址：https://www.analyticsvidhya.com/blog/2017/08/10-advanced-deep-learning-architectures-data-scientists/
本文為機(jī)器之心編譯，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系本公眾號獲得授權(quán)。
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