Deep Learning Specialization (Coursera) 自習記録 (C4W2)

はじめに

Deep Learning Specialization の Course 4, Week 2 (C4W2) の内容です。

(C4W2L01) Why look at case studies?

内容

• 今週の outline
  • Classic Networks
    • LeNet-5
    • AlexNet
    • VGG
  • ResNet (152 layers)
  • Inception

(C4W2L02) Classic Networks

内容

LeNet-5 (1998 年)

1. Input ; 32 x 32 x 1
2. CONV (5x5, s=1) ; 28 x 28 x 1
3. Avg POOL (f=2, s=2) ; 14 x 14 x 6
4. CONV (5x5, s=1) ; 10 x 10 x 16
5. Avg POOL (f=2, s=2) ; 5 x 5 x 6
6. FC ; 120 パラメータ
7. FC ; 84 パラメータ
8. $\hat{y}$

• パラメータ数；60k
• $n_H$, $n_W$ が小さくなり，$n_C$ が大きくなる
• CONV, POOL, CONV, POOL, FC, FC という典型的なネットワーク

AlexNet (2012)

1. Input ; 227x227x3
2. CONV (11x11, s=4) ; 55 x 55 x 96
3. Max POOL (3x3, s=2) ; 27 x 27 x 96
4. CONV (5x5, same) ; 27 x 27 x 256
5. Max POOL (3x3, s=2) ; 13 x 13 x 256
6. CONV (3x3, same) ; 13 x 13 x 384
7. CONV (3x3, same) ; 13 x 13 x 384
8. CONV (3x3, same) ; 13 x 13 x 256
9. Max POOL (3x3, s=2) ; 6 x 6 x 256
10. FC ; 4096 パラメータ
11. FC ; 4096 パラメータ
12. softmax ; 1000 パラメータ

• Similarity to LeNet, but much bigger ($\sim$ 60M parameters)
• ReLU
• Multiple GPUs
• Local Response Normalization

VGG-16

• CONV = 3x3 filter, s=1, same
• Max POOL = 2x2, s=2

1. Input ; 224 x 224 x 3
2. CONV64 x 2 ; 224 x 224 x 64
3. POOL ; 112 x 112 x 64
4. CONV128 x 2 ; 112 x 112 x 128
5. POOL ; 56 x 56 x 128
6. CONV256 x 3; 56 x 56 x 256
7. POOL ; 28 x 28 x 256
8. CONV512 x 3; 28 x 28 x 512
9. POOL ; 14 x 14 x 512
10. CONV512 x 3 ; 14 x 14 x 512
11. POOL ; 7 x 7 x 512
12. FC ; 4096 パラメータ
13. FC ; 4096 パラメータ
14. Softmax ; 1000 パラメータ

• パラメータ数 ; $\sim$ 138M
• 構造の相対的な均一性

感想

• 2015 年が classic と表現される，時代の速さよ

(C4W2L03) Residual Networks (ResNet)

内容

• Residual block

  • $a^{[l]}$
  • $z^{[l+1]} = W^{[l+1]}a^{[l]} + b^{[l+1]}$
  • $a^{[l+1]} = g(z^{[l+1]})$
  • $z^{[l+2]} = W^{[l+2]}a^{[l+1]} + b^{[l+2]}$
  • $a^{[l+1]} = g(z^{[l+1]} + a^{[l]})$

• layer が深くなると，通常のネットワークでは training error が大きくなる

• でも ResNet では 100 layers を越えても training error が減少する。深いネットワークの学習に効果的

(C4W2L04) Why ResNets works

内容

• もし $W^{[l+2]} = 0$ ， $b^{[l+2]} = 0$ の場合，$a^{[l+2]} = g(a^{[l]}) = a^{[l]}$ となる
• Identity function is easy for Residual block to learn (Residual block は恒等関数を学習するのが楽)

(C4W2L05) Network in network and 1x1 convolutions

内容

• Why does a 1x1 convolution do?
  • $(6 \times 6 \times 32) \ast (1 \times 1 \times 32) = (6 \times 6 \times
    \textrm{#filters})$
  • input の各画素に fully connected (FC) を適用するイメージ
  • Network in Network とも言われる
• Using 1x1 convolutions
  • Input ; $28 \times 28 \times 192$
  • ReLU, CONV 1x1, 32 filters → Output ; $28 \times 28 \times 32$
  • $n_C$ を減らすことができる

(C4W2L06) Inception network motivation

内容

• Input (28x28x192) に，以下をそれぞれ適用し，合体させる
  • 1x1 → Output ; 28x28x64
  • 3x3 → Output ; 28x28x128
  • 5x5 → Output ; 28x28x32
  • Max POOL → Output ; 28x28x32
  • 全部で 28x28x256 になる
• 様々なフィルタサイズと pooling をすべて適用し，ネットワークに適切なものを選ばせる
• The problem of computational cost
  • Input ; 28x28x192
  • CONV 5x5, same, 32 → Output ; 28x28x32
  • 計算コスト ; 28x28x32x5x5x192 = 120M
• Using 1x1 convolution
  • Input ; 28x28x192
  • CONV 1x1, 16 → Output ; 28x28x16 (bottle neck layer)
  • CONV 5x5, 32 → Output ; 28x28x32
  • 計算コスト ; 28x28x16x192 + 28x28x32x5x5x16 = 12.4M (上記の 1/10)
• bottle neck layer を適切に設計すれば，パフォーマンスに影響を与えず，計算量を小さくできる

(C4W2L07) Inception network

内容

• bottle neck layer を入れた Inception network の説明
• GoogLeNet と呼ばれている

(C4W2L08) Using open-source implementation

内容

• GitHub からソースコードをダウンロード (git clone) の説明

(C4W2L09) Transfer Learning

内容

• $x$ → layer → layer → $\cdots$ → layer → softmax → $\hat{y}$ において，
  • データが少ないときは，softmax だけ学習させる (それ以外のパラメタは固定)
  • 大きいデータセットの場合は，例えば後半の layer は学習し，前半の layer は固定する
  • 非常に大きいデータがあるときは，ネットワーク全体を学習する

(C4W2L10) Data augumentation

内容

• Common augmentation method
  • mirroring
  • random cropping
  • 以下はあまり使われない
    • rotation
    • shearing
    • local warping
• color shifting
  • R, G, B に数字を足す (or 引く)
  • AlexNet の論文に，PCA color augmentation の方法が書いてある
• Implementing distortions during training
  • 画像 1 枚を読み込んだら，画像を加工 (distortion) して，それらを mini-batch にして train する

(C4W2L11) The state of computer vision

内容

• 現在のデータ量は感覚的に speech recognition $\gt$ image recognition $\gt$ object detection (物体がどこにあるか認識する)
• データがたくさんあれば，シンプルなアルゴリズムで，手調整 (hand-engineering) は少なくて済む
• データが少ないときは，手調整 (hand-engineering or hack) が増える
• Two sources of knowledge
  • labeled data
  • hand-engineering features / network architecture / other components
• データが少ないときは，Transfer Learning が役立つ
• Tips for doing well on benchmark / winning competitions
  • Ensemble
    • Training several networks independently and average their output (3 ～ 15 networks)
  • Multi-crop at test time
    • Run classifier on multiple versions of test images and average results (10 crops)
• Use open source code
  • Use architecture of network published in the literature
  • Use open source implementations if possible
  • Use pre-trained models and fine-tune on your data set

参考

• 今週の実習は ResNet の実装

参考

• Deep Learning Specialization (Coursera) 自習記録 (目次)