7.2、Convolution NeuralNetwork算法实现

Feature Maps:

20个feature maps

pooling layer:作为图像压缩,将图像信息缩小

3层

隐藏层: 100个神经元

训练60个epochs

学习率 = 0.1

mini-batch size: 10

>>>import network3

>>>from network3 import Network

>>>from network3 import ConvPoolLayer,FullyConnectedLayer,SoftmaxLayer

>>>training_data,validation_data,test_data=network3.load_data_shared()

>>>mini_batch_size=10

>>>net = Network([FullyConnectedLayer(n_in=784,n_out=100),

                                SoftmaxLayer(n_in=100,n_out=10)],mini_batch_size)

>>>net.SGD(training_data,60,mini_batch_size,0.1,validation_data,test_data)

结果: 97.8 accuracy 

这次: 没有regularization, 上次有

这次: softmax 上次: sigmoid + cross-entropy

加入convolution层:

>>>net=Network(

[ConvPoolLayer(image_shape=(mini_batch_size,1,28,28),

        filter_shape=(20,1,5,5),

        poolsize(2,2)),

FullyConnectedLayer(n_in=20*12*12,n_out=100),

SoftmaxLayer(n_in=100,n_out=10)],mini_batch_size)

>>>net.SGD(training_data,60,mini_batch_size,0.1,validation_data,test_data)

准确率: 98.78 比上次有显著提高

再加入一层convolution (共两层):

>>>net=Network(

[ConvPoolLayer(image_shape=(mini_batch_size,1,28,28),

filter_shape=(20,1,5,5),

poolsize=(2,2)),

ConvPoolLayer(image_shape=(mini_batch_size,20,12,12),

filter_shape=(40,20,5,5),

poolsize=(2,2)),

FullyConnectedLayer(n_in=40*4*4,n_out=100),

SoftmaxLayer(n_in=100,n_out=10)],mini_batch_size)

>>>net.SGD(training_data,60,mini_batch_size,0.1,validation_data,test_data)

准确率: 99.06% (再一次刷新)

用Rectified Linear Units代替sigmoid:

f(z) = max(0, z)

>>>net=Network(

[ConvPoolLayer(image_shape=(mini_batch_size,1,28,28),

filter_shape=(20,1,5,5),

poolsize=(2,2),

activation_fn=ReLU),

ConvPoolLayer(image_shape=(mini_batch_size,20,12,12),

filter_shape=(40,20,5,5),

poolsize=(2,2),activation_fn=ReLU),

FullyConnectedLayer(n_in=40*4*4,n_out=100,activation_fn=ReLU),

SoftmaxLayer(n_in=100,n_out=10)],

mini_batch_size)

>>>net.SGD(training_data,60,mini_batch_size,0.03,validation_data,test_data,lmbda=0.1)

准确率: 99.23 比之前用sigmoid函数的99.06%稍有提高

扩大训练集: 每个图像向上,下,左,右移动一个像素

总训练集: 50,000 * 5 = 250,000

$ python expand_mnist.py

>>>expanded_training_data,_,_=network3.load_data_shared("../data/mnist_expanded.pkl.gz")

>>>net=Network([ConvPoolLayer(image_shape=(mini_batch_size,1,28,28),

filter_shape=(20,1,5,5),

poolsize=(2,2),

activation_fn=ReLU),

ConvPoolLayer(image_shape=(mini_batch_size,20,12,12),

filter_shape=(40,20,5,5),

poolsize=(2,2),activation_fn=ReLU),

FullyConnectedLayer(n_in=40*4*4,n_out=100,activation_fn=ReLU),

SoftmaxLayer(n_in=100,n_out=10)],mini_batch_size)

>>>net.SGD(expanded_training_data,60,mini_batch_size,0.03,validation_data,test_data,lmbda=0.1)

 结果: 99.37%

加入一个100个神经元的隐藏层在fully-connected层:

>>>net=Network([

ConvPoolLayer(image_shape=(mini_batch_size,1,28,28),

filter_shape=(20,1,5,5),

poolsize=(2,2),

activation_fn=ReLU),

ConvPoolLayer(image_shape=(mini_batch_size,20,12,12),

filter_shape=(40,20,5,5),

poolsize=(2,2),

activation_fn=ReLU),

FullyConnectedLayer(n_in=40*4*4,n_out=100,activation_fn=ReLU),

FullyConnectedLayer(n_in=100,n_out=100,activation_fn=ReLU),

SoftmaxLayer(n_in=100,n_out=10)],mini_batch_size)

>>>net.SGD(expanded_training_data,60,mini_batch_size,0.03,validation_data,test_data,lmbda=0.1)

结果: 99.43%, 并没有大的提高有可能overfit

加上dropout到最后一个fully-connected层:

>>>expanded_training_data,_,_=network3.load_data_shared("../data/mnist_expanded.pkl.gz")

>>>net=Network([

ConvPoolLayer(image_shape=(mini_batch_size,1,28,28),

filter_shape=(20,1,5,5),

poolsize=(2,2),activation_fn=ReLU),

ConvPoolLayer(image_shape=(mini_batch_size,20,12,12),

filter_shape=(40,20,5,5),poolsize=(2,2),activation_fn=ReLU),

FullyConnectedLayer(n_in=40*4*4,n_out=1000,activation_fn=ReLU,p_dropout=0.5),

FullyConnectedLayer(n_in=1000,n_out=1000,activation_fn=ReLU,p_dropout=0.5),

SoftmaxLayer(n_in=1000,n_out=10,p_dropout=0.5)],mini_batch_size)

>>>net.SGD(expanded_training_data,40,mini_batch_size,0.03,validation_data,test_data)

结果: 99.60% 显著提高

epochs: 减少到了40

隐藏层有 1000 个神经元

Ensemble of network: 训练多个神经网络, 投票决定结果, 有时会提高

误识别的图像:

为何只对最后一层用dropout

CNN本身的convolution层对于overfitting有防止作用: 共享的权重造成convolution filter强迫对于整个图像进行学习

为什么可以克服深度学习里面的一些困难?

用CNN大大减少了参数数量

用dropout减少了overfitting

用Rectified Linear Units代替了sigmoid,避免了overfitting,不同层学习率差别大的问题

用GPU计算更快, 每次更新较少, 但是可以训练很多次

目前的深度神经网络有多深? (多少层)?

最多有20多层。

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