深度殘差網路+自適應引數化ReLU啟用函式(調參記錄9)

毛利小五郎發表於2020-04-23

本文在調參記錄6的基礎上,繼續調整超引數,測試Adaptively Parametric ReLU(APReLU)啟用函式在Cifar10影像集上的效果。

深度殘差網路+自適應引數化ReLU啟用函式(調參記錄6)

https://blog.csdn.net/dangqing1988/article/details/105628681

自適應引數化ReLU啟用函式的基本原理見下圖:

在Keras裡,Batch Normalization的momentum預設為0.99,現在設定為0.9,這是因為momentum=0.9似乎更常見。原先Batch Normalization預設沒有正則化,現在加上L2正則化,來減小過擬合。

Keras程式如下:

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Tue Apr 14 04:17:45 2020
Implemented using TensorFlow 1.10.0 and Keras 2.2.1
Minghang Zhao, Shisheng Zhong, Xuyun Fu, Baoping Tang, Shaojiang Dong, Michael Pecht,
Deep Residual Networks with Adaptively Parametric Rectifier Linear Units for Fault Diagnosis, 
IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020,  DOI: 10.1109/TIE.2020.2972458 
@author: Minghang Zhao
"""
from __future__ import print_function
import keras
import numpy as np
from keras.datasets import cifar10
from keras.layers import Dense, Conv2D, BatchNormalization, Activation, Minimum
from keras.layers import AveragePooling2D, Input, GlobalAveragePooling2D, Concatenate, Reshape
from keras.regularizers import l2
from keras import backend as K
from keras.models import Model
from keras import optimizers
from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
from keras.callbacks import LearningRateScheduler
K.set_learning_phase(1)
# The data, split between train and test sets
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = cifar10.load_data()
# Noised data
x_train = x_train.astype('float32') / 255.
x_test = x_test.astype('float32') / 255.
x_test = x_test-np.mean(x_train)
x_train = x_train-np.mean(x_train)
print('x_train shape:', x_train.shape)
print(x_train.shape[0], 'train samples')
print(x_test.shape[0], 'test samples')
# convert class vectors to binary class matrices
y_train = keras.utils.to_categorical(y_train, 10)
y_test = keras.utils.to_categorical(y_test, 10)
# Schedule the learning rate, multiply 0.1 every 300 epoches
def scheduler(epoch):
    if epoch % 300 == 0 and epoch != 0:
        lr = K.get_value(model.optimizer.lr)
        K.set_value(model.optimizer.lr, lr * 0.1)
        print("lr changed to {}".format(lr * 0.1))
    return K.get_value(model.optimizer.lr)
# An adaptively parametric rectifier linear unit (APReLU)
def aprelu(inputs):
    # get the number of channels
    channels = inputs.get_shape().as_list()[-1]
    # get a zero feature map
    zeros_input = keras.layers.subtract([inputs, inputs])
    # get a feature map with only positive features
    pos_input = Activation('relu')(inputs)
    # get a feature map with only negative features
    neg_input = Minimum()([inputs,zeros_input])
    # define a network to obtain the scaling coefficients
    scales_p = GlobalAveragePooling2D()(pos_input)
    scales_n = GlobalAveragePooling2D()(neg_input)
    scales = Concatenate()([scales_n, scales_p])
    scales = Dense(channels, activation='linear', kernel_initializer='he_normal', kernel_regularizer=l2(1e-4))(scales)
    scales = BatchNormalization(momentum=0.9, gamma_regularizer=l2(1e-4))(scales)
    scales = Activation('relu')(scales)
    scales = Dense(channels, activation='linear', kernel_initializer='he_normal', kernel_regularizer=l2(1e-4))(scales)
    scales = BatchNormalization(momentum=0.9, gamma_regularizer=l2(1e-4))(scales)
    scales = Activation('sigmoid')(scales)
    scales = Reshape((1,1,channels))(scales)
    # apply a paramtetric relu
    neg_part = keras.layers.multiply([scales, neg_input])
    return keras.layers.add([pos_input, neg_part])
# Residual Block
def residual_block(incoming, nb_blocks, out_channels, downsample=False,
                   downsample_strides=2):
    
    residual = incoming
    in_channels = incoming.get_shape().as_list()[-1]
    
    for i in range(nb_blocks):
        
        identity = residual
        
        if not downsample:
            downsample_strides = 1
        
        residual = BatchNormalization(momentum=0.9, gamma_regularizer=l2(1e-4))(residual)
        residual = aprelu(residual)
        residual = Conv2D(out_channels, 3, strides=(downsample_strides, downsample_strides), 
                          padding='same', kernel_initializer='he_normal', 
                          kernel_regularizer=l2(1e-4))(residual)
        
        residual = BatchNormalization(momentum=0.9, gamma_regularizer=l2(1e-4))(residual)
        residual = aprelu(residual)
        residual = Conv2D(out_channels, 3, padding='same', kernel_initializer='he_normal', 
                          kernel_regularizer=l2(1e-4))(residual)
        
        # Downsampling
        if downsample_strides > 1:
            identity = AveragePooling2D(pool_size=(1,1), strides=(2,2))(identity)
            
        # Zero_padding to match channels
        if in_channels != out_channels:
            zeros_identity = keras.layers.subtract([identity, identity])
            identity = keras.layers.concatenate([identity, zeros_identity])
            in_channels = out_channels
        
        residual = keras.layers.add([residual, identity])
    
    return residual
# define and train a model
inputs = Input(shape=(32, 32, 3))
net = Conv2D(16, 3, padding='same', kernel_initializer='he_normal', kernel_regularizer=l2(1e-4))(inputs)
net = residual_block(net, 9, 16, downsample=False)
net = residual_block(net, 1, 32, downsample=True)
net = residual_block(net, 8, 32, downsample=False)
net = residual_block(net, 1, 64, downsample=True)
net = residual_block(net, 8, 64, downsample=False)
net = BatchNormalization(momentum=0.9, gamma_regularizer=l2(1e-4))(net)
net = Activation('relu')(net)
net = GlobalAveragePooling2D()(net)
outputs = Dense(10, activation='softmax', kernel_initializer='he_normal', kernel_regularizer=l2(1e-4))(net)
model = Model(inputs=inputs, outputs=outputs)
sgd = optimizers.SGD(lr=0.1, decay=0., momentum=0.9, nesterov=True)
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer=sgd, metrics=['accuracy'])
# data augmentation
datagen = ImageDataGenerator(
    # randomly rotate images in the range (deg 0 to 180)
    rotation_range=30,
    # randomly flip images
    horizontal_flip=True,
    # randomly shift images horizontally
    width_shift_range=0.125,
    # randomly shift images vertically
    height_shift_range=0.125)
reduce_lr = LearningRateScheduler(scheduler)
# fit the model on the batches generated by datagen.flow().
model.fit_generator(datagen.flow(x_train, y_train, batch_size=100),
                    validation_data=(x_test, y_test), epochs=1000, 
                    verbose=1, callbacks=[reduce_lr], workers=4)
# get results
K.set_learning_phase(0)
DRSN_train_score = model.evaluate(x_train, y_train, batch_size=100, verbose=0)
print('Train loss:', DRSN_train_score[0])
print('Train accuracy:', DRSN_train_score[1])
DRSN_test_score = model.evaluate(x_test, y_test, batch_size=100, verbose=0)
print('Test loss:', DRSN_test_score[0])
print('Test accuracy:', DRSN_test_score[1])

實驗結果如下:

x_train shape: (50000, 32, 32, 3)
50000 train samples
10000 test samples
Epoch 1/1000
500/500 [==============================] - 97s 195ms/step - loss: 3.2344 - acc: 0.4133 - val_loss: 2.7840 - val_acc: 0.5398
Epoch 2/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 2.6095 - acc: 0.5574 - val_loss: 2.3084 - val_acc: 0.6296
Epoch 3/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 2.2160 - acc: 0.6249 - val_loss: 1.9625 - val_acc: 0.6837
Epoch 4/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 1.9251 - acc: 0.6702 - val_loss: 1.7395 - val_acc: 0.7116
Epoch 5/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 1.7015 - acc: 0.7016 - val_loss: 1.5316 - val_acc: 0.7429
Epoch 6/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 1.5268 - acc: 0.7228 - val_loss: 1.3858 - val_acc: 0.7608
Epoch 7/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 1.3979 - acc: 0.7372 - val_loss: 1.2604 - val_acc: 0.7761
Epoch 8/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 1.2921 - acc: 0.7483 - val_loss: 1.1713 - val_acc: 0.7798
Epoch 9/1000
500/500 [==============================] - 66s 131ms/step - loss: 1.2057 - acc: 0.7627 - val_loss: 1.1200 - val_acc: 0.7846
Epoch 10/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 1.1358 - acc: 0.7690 - val_loss: 1.0900 - val_acc: 0.7811
Epoch 11/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 1.0823 - acc: 0.7741 - val_loss: 0.9822 - val_acc: 0.8058
Epoch 12/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 1.0365 - acc: 0.7802 - val_loss: 0.9840 - val_acc: 0.7976
Epoch 13/1000
500/500 [==============================] - 65s 130ms/step - loss: 1.0040 - acc: 0.7847 - val_loss: 0.9539 - val_acc: 0.7995
Epoch 14/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.9737 - acc: 0.7870 - val_loss: 0.9181 - val_acc: 0.8093
Epoch 15/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.9468 - acc: 0.7933 - val_loss: 0.8972 - val_acc: 0.8071
Epoch 16/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.9210 - acc: 0.7964 - val_loss: 0.9039 - val_acc: 0.8077
Epoch 17/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.9084 - acc: 0.8008 - val_loss: 0.8491 - val_acc: 0.8200
Epoch 18/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8879 - acc: 0.8027 - val_loss: 0.8565 - val_acc: 0.8161
Epoch 19/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8770 - acc: 0.8044 - val_loss: 0.8640 - val_acc: 0.8116
Epoch 20/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8695 - acc: 0.8066 - val_loss: 0.8369 - val_acc: 0.8187
Epoch 21/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8565 - acc: 0.8097 - val_loss: 0.8403 - val_acc: 0.8221
Epoch 22/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8516 - acc: 0.8119 - val_loss: 0.8131 - val_acc: 0.8315
Epoch 23/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8402 - acc: 0.8156 - val_loss: 0.7879 - val_acc: 0.8397
Epoch 24/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8271 - acc: 0.8179 - val_loss: 0.7942 - val_acc: 0.8379
Epoch 25/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8282 - acc: 0.8196 - val_loss: 0.8132 - val_acc: 0.8270
Epoch 26/1000
500/500 [==============================] - 65s 130ms/step - loss: 0.8203 - acc: 0.8203 - val_loss: 0.7870 - val_acc: 0.8354
Epoch 27/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8141 - acc: 0.8231 - val_loss: 0.7780 - val_acc: 0.8405
Epoch 28/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8075 - acc: 0.8270 - val_loss: 0.7806 - val_acc: 0.8386
Epoch 29/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8051 - acc: 0.8260 - val_loss: 0.7865 - val_acc: 0.8309
Epoch 30/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.8015 - acc: 0.8262 - val_loss: 0.7600 - val_acc: 0.8458
Epoch 31/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7948 - acc: 0.8295 - val_loss: 0.7560 - val_acc: 0.8458
Epoch 32/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7890 - acc: 0.8323 - val_loss: 0.7760 - val_acc: 0.8407
Epoch 33/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7868 - acc: 0.8335 - val_loss: 0.7845 - val_acc: 0.8348
Epoch 34/1000
500/500 [==============================] - 66s 131ms/step - loss: 0.7845 - acc: 0.8346 - val_loss: 0.7517 - val_acc: 0.8460
Epoch 35/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7764 - acc: 0.8377 - val_loss: 0.7683 - val_acc: 0.8432
Epoch 36/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7720 - acc: 0.8370 - val_loss: 0.7383 - val_acc: 0.8518
Epoch 37/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7738 - acc: 0.8374 - val_loss: 0.7491 - val_acc: 0.8469
Epoch 38/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7666 - acc: 0.8405 - val_loss: 0.7591 - val_acc: 0.8437
Epoch 39/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7656 - acc: 0.8421 - val_loss: 0.7389 - val_acc: 0.8533
Epoch 40/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7619 - acc: 0.8431 - val_loss: 0.7583 - val_acc: 0.8461
Epoch 41/1000
500/500 [==============================] - 65s 130ms/step - loss: 0.7594 - acc: 0.8433 - val_loss: 0.7199 - val_acc: 0.8576
Epoch 42/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7594 - acc: 0.8428 - val_loss: 0.7272 - val_acc: 0.8558
Epoch 43/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7559 - acc: 0.8451 - val_loss: 0.7353 - val_acc: 0.8535
Epoch 44/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7528 - acc: 0.8454 - val_loss: 0.7492 - val_acc: 0.8487
Epoch 45/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7564 - acc: 0.8465 - val_loss: 0.7510 - val_acc: 0.8505
Epoch 46/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7494 - acc: 0.8487 - val_loss: 0.7626 - val_acc: 0.8462
Epoch 47/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7505 - acc: 0.8491 - val_loss: 0.7417 - val_acc: 0.8561
Epoch 48/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7434 - acc: 0.8509 - val_loss: 0.7247 - val_acc: 0.8580
Epoch 49/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7426 - acc: 0.8502 - val_loss: 0.7203 - val_acc: 0.8612
Epoch 50/1000
500/500 [==============================] - 65s 130ms/step - loss: 0.7436 - acc: 0.8503 - val_loss: 0.7190 - val_acc: 0.8621
Epoch 51/1000
500/500 [==============================] - 65s 130ms/step - loss: 0.7415 - acc: 0.8509 - val_loss: 0.7315 - val_acc: 0.8590
Epoch 52/1000
500/500 [==============================] - 65s 130ms/step - loss: 0.7342 - acc: 0.8549 - val_loss: 0.7141 - val_acc: 0.8627
Epoch 53/1000
500/500 [==============================] - 65s 130ms/step - loss: 0.7341 - acc: 0.8525 - val_loss: 0.7209 - val_acc: 0.8582
Epoch 54/1000
500/500 [==============================] - 65s 130ms/step - loss: 0.7326 - acc: 0.8546 - val_loss: 0.7114 - val_acc: 0.8640
Epoch 55/1000
500/500 [==============================] - 65s 131ms/step - loss: 0.7338 - acc: 0.8546 - val_loss: 0.7166 - val_acc: 0.8587
Epoch 56/1000
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Test accuracy: 0.9371000009775162

測試準確率到了93.71%,比之前的都高一點。

Minghang Zhao, Shisheng Zhong, Xuyun Fu, Baoping Tang, Shaojiang Dong, Michael Pecht, Deep Residual Networks with Adaptively Parametric Rectifier Linear Units for Fault Diagnosis, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, DOI: 10.1109/TIE.2020.2972458

https://ieeexplore.ieee.org/document/8998530

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