【深度残差收缩网络】算法原理及TFLearn实现

深度残差收缩网络是一种新的神经网络结构,实际上是深度残差网络的升级版本,能够在一定程度上提高深度学习方法在含噪数据上的特征学习效果。

首先,简要回顾一下深度残差网络,其基本模块如下图所示。相较于传统的卷积神经网络,深度残差网络利用了跨越多层的恒等映射,来缓解模型训练的难度,提高准确性。


深度残差网络的基本模块

然后,和深度残差网络不同的是,深度残差收缩网络引入了一个小型的子网络,用这个子网络学习得到一组阈值,对特征图的各个通道进行软阈值化。这个过程其实可以看成一个可训练的特征选择的过程。具体而言,就是通过前面的卷积层将重要的特征转换成绝对值较大的值,将冗余信息所对应的特征转换成绝对值较小的值;通过子网络学习得到二者之间的界限,并且通过软阈值化将冗余特征置为零,同时使重要的特征有着非零的输出。


深度残差收缩网络的基本模块

深度残差收缩网络其实是一种通用的方法,不仅可以用于含噪数据,也可以用于不含噪声的情况。这是因为,深度残差收缩网络中的阈值是根据样本情况自适应确定的。换言之,如果样本中不含冗余信息、不需要软阈值化,那么阈值可以被训练得非常接近于零,从而软阈值化就相当于不存在了。

最后,堆叠一定数量的基本模块,就得到了完整的网络结构。


深度残差收缩网络的整体结构

利用深度残差收缩网络进行MNIST图像识别,可以看到,效果还是不错的。下面是深度残差收缩网络的代码:

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Thu Dec 26 07:46:00 2019

Implemented using TensorFlow 1.0 and TFLearn 0.3.2
 
M. Zhao, S. Zhong, X. Fu, et al., Deep Residual Shrinkage Networks for Fault Diagnosis, 
IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019, DOI: 10.1109/TII.2019.2943898

@author: me
"""

import tflearn
import tensorflow as tf
from tflearn.layers.conv import conv_2d

# Data loading
from tflearn.datasets import mnist
X, Y, testX, testY = mnist.load_data(one_hot=True)
X = X.reshape([-1,28,28,1])
testX = testX.reshape([-1,28,28,1])

def residual_shrinkage_block(incoming, nb_blocks, out_channels, downsample=False,
                   downsample_strides=2, activation='relu', batch_norm=True,
                   bias=True, weights_init='variance_scaling',
                   bias_init='zeros', regularizer='L2', weight_decay=0.0001,
                   trainable=True, restore=True, reuse=False, scope=None,
                   name="ResidualBlock"):
    
    # residual shrinkage blocks with channel-wise thresholds

    residual = incoming
    in_channels = incoming.get_shape().as_list()[-1]

    # Variable Scope fix for older TF
    try:
        vscope = tf.variable_scope(scope, default_name=name, values=[incoming],
                                   reuse=reuse)
    except Exception:
        vscope = tf.variable_op_scope([incoming], scope, name, reuse=reuse)

    with vscope as scope:
        name = scope.name #TODO

        for i in range(nb_blocks):

            identity = residual

            if not downsample:
                downsample_strides = 1

            if batch_norm:
                residual = tflearn.batch_normalization(residual)
            residual = tflearn.activation(residual, activation)
            residual = conv_2d(residual, out_channels, 3,
                             downsample_strides, 'same', 'linear',
                             bias, weights_init, bias_init,
                             regularizer, weight_decay, trainable,
                             restore)

            if batch_norm:
                residual = tflearn.batch_normalization(residual)
            residual = tflearn.activation(residual, activation)
            residual = conv_2d(residual, out_channels, 3, 1, 'same',
                             'linear', bias, weights_init,
                             bias_init, regularizer, weight_decay,
                             trainable, restore)
            
            # get thresholds and apply thresholding
            abs_mean = tf.reduce_mean(tf.reduce_mean(tf.abs(residual),axis=2,keep_dims=True),axis=1,keep_dims=True)
            scales = tflearn.fully_connected(abs_mean, out_channels//4, activation='linear',regularizer='L2',weight_decay=0.0001,weights_init='variance_scaling')
            scales = tflearn.batch_normalization(scales)
            scales = tflearn.activation(scales, 'relu')
            scales = tflearn.fully_connected(scales, out_channels, activation='linear',regularizer='L2',weight_decay=0.0001,weights_init='variance_scaling')
            scales = tf.expand_dims(tf.expand_dims(scales,axis=1),axis=1)
            thres = tf.multiply(abs_mean,tflearn.activations.sigmoid(scales))
            residual = tf.multiply(tf.sign(residual), tf.maximum(tf.abs(residual)-thres,0))
            

            # Downsampling
            if downsample_strides > 1:
                identity = tflearn.avg_pool_2d(identity, 1,
                                               downsample_strides)

            # Projection to new dimension
            if in_channels != out_channels:
                if (out_channels - in_channels) % 2 == 0:
                    ch = (out_channels - in_channels)//2
                    identity = tf.pad(identity,
                                      [[0, 0], [0, 0], [0, 0], [ch, ch]])
                else:
                    ch = (out_channels - in_channels)//2
                    identity = tf.pad(identity,
                                      [[0, 0], [0, 0], [0, 0], [ch, ch+1]])
                in_channels = out_channels

            residual = residual + identity

    return residual


# Real-time data preprocessing
img_prep = tflearn.ImagePreprocessing()
img_prep.add_featurewise_zero_center(per_channel=True)

# Building A Deep Residual Shrinkage Network
net = tflearn.input_data(shape=[None, 28, 28, 1])
net = tflearn.conv_2d(net, 8, 3, regularizer='L2', weight_decay=0.0001)
net = residual_shrinkage_block(net, 1,  8, downsample=True)
net = tflearn.batch_normalization(net)
net = tflearn.activation(net, 'relu')
net = tflearn.global_avg_pool(net)
# Regression
net = tflearn.fully_connected(net, 10, activation='softmax')
mom = tflearn.Momentum(0.1, lr_decay=0.1, decay_step=40000, staircase=True)
net = tflearn.regression(net, optimizer=mom, loss='categorical_crossentropy')
# Training
model = tflearn.DNN(net, checkpoint_path='model_mnist',
                    max_checkpoints=10, tensorboard_verbose=0,
                    clip_gradients=0.)

model.fit(X, Y, n_epoch=200, snapshot_epoch=False, snapshot_step=500,
          show_metric=True, batch_size=100, shuffle=True, run_id='model_mnist')

training_acc = model.evaluate(X, Y)[0]
validation_acc = model.evaluate(testX, testY)[0]

接下来是深度残差网络ResNet的代码:

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Thu Dec 26 07:46:00 2019

Implemented using TensorFlow 1.0 and TFLearn 0.3.2
K. He, X. Zhang, S. Ren, J. Sun, Deep Residual Learning for Image Recognition, CVPR, 2016.

@author: me
"""

import tflearn

# Data loading
from tflearn.datasets import mnist
X, Y, testX, testY = mnist.load_data(one_hot=True)
X = X.reshape([-1,28,28,1])
testX = testX.reshape([-1,28,28,1])

# Real-time data preprocessing
img_prep = tflearn.ImagePreprocessing()
img_prep.add_featurewise_zero_center(per_channel=True)

# Building a deep residual network
net = tflearn.input_data(shape=[None, 28, 28, 1])
net = tflearn.conv_2d(net, 8, 3, regularizer='L2', weight_decay=0.0001)
net = tflearn.residual_block(net, 1,  8, downsample=True)
net = tflearn.batch_normalization(net)
net = tflearn.activation(net, 'relu')
net = tflearn.global_avg_pool(net)
# Regression
net = tflearn.fully_connected(net, 10, activation='softmax')
mom = tflearn.Momentum(0.1, lr_decay=0.1, decay_step=40000, staircase=True)
net = tflearn.regression(net, optimizer=mom, loss='categorical_crossentropy')
# Training
model = tflearn.DNN(net, checkpoint_path='model_mnist',
                    max_checkpoints=10, tensorboard_verbose=0,
                    clip_gradients=0.)

model.fit(X, Y, n_epoch=200, snapshot_epoch=False, snapshot_step=500,
          show_metric=True, batch_size=100, shuffle=True, run_id='model_mnist')

training_acc = model.evaluate(X, Y)[0]
validation_acc = model.evaluate(testX, testY)[0]

上述两个程序构建了只有1个基本模块的小型网络,MNIST数据集中没有添加噪声,每次运行结果会有些不同。准确率如下表所示,可以看到,即使是对于不含噪声的数据,深度残差收缩网络的结果也是不错的:


实验结果

转载网址:

https://my.oschina.net/u/4223274/blog/3148949

参考文献:

M. Zhao, S. Zhong, X. Fu, et al., Deep residual shrinkage networks for fault diagnosis, IEEE Transactions on Industrial Informatics, DOI: 10.1109/TII.2019.2943898

https://ieeexplore.ieee.org/document/8850096

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 202,723评论 5 476
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 85,080评论 2 379
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 149,604评论 0 335
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,440评论 1 273
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,431评论 5 364
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,499评论 1 281
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 37,893评论 3 395
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,541评论 0 256
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 40,751评论 1 296
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,547评论 2 319
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,619评论 1 329
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,320评论 4 318
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,890评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,896评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,137评论 1 259
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 42,796评论 2 349
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,335评论 2 342