Inception模块 GooLeNet网络

GoogLeNet

这篇文章打算简单总结一下GoogLeNet网络，其网络结构如下图所示。

我放上面这张图只是为了方便我们大致了解一下它的结构。我知道这样肯定不太能看清每一层具体细节，因为可以发现，GoogLeNet看起来有非常多且复杂的结构，要是清晰地放在这篇文章里恐怕会占很多篇幅，所以具体、清晰的GoogleNet图可以看这里。

与VGG、AlexNet等卷积神经网络相比，GoogLeNet绝对是我们见过的层数最多的网络了，它的网络层数有超过100层。

Inception

我们说GoogLeNet足有100多层，然而从图中可以发现，从左到右，似乎深度并没有到100层。这并不矛盾，我们说神经网络的层数并不一定等同于深度，那么这个网络是如何达到100多层的呢？是通过并行的方式。

这就在于GoogLeNet中的inception块。我们通过GoogLeNet的网络图，可以发现里面有很多并行的结构。在整理ResNet网络的时候，我们发现网络除了直接送入卷积层之外，还可以额外进行残差边的额外送入，也就是说，同一个数据可以并行地分两条路去走。而GoogLeNet中的inception块就更加“放肆”了：有的进行卷积，有的进行池化，卷积核的大小也有不同，这样开设四条路径（一般来说），然后在输出通道维合并。

如上图，是早期inception块的基本思路。我们对于某一层的输出，进行四条路径下不同的处理，有1*1卷积、3*3卷积、5*5卷积以及3*3池化等操作，再最终将结果合并到一起。这就是最早期inception块的思路了，理解起来并不难。

然而，深度神经网络需要耗费大量计算资源，我们虽然采取了多种方式进行融合，但必然会大大增加计算量。还记得1*1卷积的作用吗 ?后面inception块为了减少计算量，在不同通道下都引入了1*1的卷积来减少通道数，从而减少参数量。这就有了下面更加常见的inception块：

如上图，为了降低算力成本，我们在3*3和 5x5 卷积前都增加了1*1卷积来减少输入卷积层的通道数。这样就可以减少卷积层的参数量了。因为卷积层的参数量为：输入层通道数*输出层通道数*卷积核大小。（这里一定要理解哈，因为输入层通道数决定了卷积核的通道数，输出通道数决定了卷积核的个数）

因此，虽然我们看似是额外增加了几个1*1的卷积层，然而因为卷积层参数以及各个地方通道数的减少（得益于1*1卷积的大量使用），我们整体的参数量和复杂度是有减少的。整个inception块，也就是四条道路相融合的参数量甚至要少于单纯进行3*3或5*5的卷积！inception的优点之一也就是模型参数小，计算复杂度低。

值得注意的是，对于卷积层，1*1卷积会出现在卷积层之前来及时减少输入的通道数；而对于池化层，1*1卷积是出现在最大池化层之后的。

Inception的通道数和尺寸

因为inception有一个非常重要的性质：虽然输出通道数会因为四个路径相加而比输入通道数多，但是输出尺寸大小和输入尺寸是一样的。即：通过一个inception，高宽不变，通道数改变。

上图中我还额外标记了padding的大小，一个pad=1，另一个pad=2，这两处padding是本来就有的只不过原图中没显示。因为如果这两处卷积如果不设padding的话，是不可能使尺寸不变的。

之前在这篇文章（https://blog.csdn.net/weixin_44492824/article/details/123080291）中有过结论：

卷积核尺寸为3*3，padding=1，步长为1，卷积后尺寸不变
卷积核尺寸为5*5，padding=2，步长为1，卷积后尺寸不变

所以图中其实3*3卷积padding是1，5*5卷积padding是2，才可以保持尺寸大小不变，才符合inception块的性质。

通道数的保留和占比也是有一些说法的，比如对于3*3的卷积，我们认为它更加重要，所以第二条路线我们给他更多的通道数，而5*5的卷积与池化层相对来说不是那么重要，所以第三、四条路线我们分别通过5*5和1*1的卷积来将它压缩至较小的通道数。

关于其他inception变种等

其实inception块在我理解看来就是开启多个不同的“并行路线”，每个路线采用不同的方式进行特征提取和学习，我们当然也可以让某一个路线直接变成残差边，或者是改变一些卷积核的大小、个数，或者加入BN层等，因此后面对于inception的变种也都是在这些思路上进行了改变。目前inceptionv3以及v4就是做了以上相关的改进，效果还是不错的。

关于inception我感觉就了解即可，不同版本其实也就是inception模块的一些改变和调整。要想复现GoogLeNet的话，模型构建以及训练起来还是很麻烦很慢的。一方面，是因为GooLeNet不同stage使用inception块的方式也都比较“无厘头”，并且很多通道数的设定也比较玄学；另一方面，虽然我们说inception块可以减少一些参数量，但是架不住它数目太多，因此整体结构还是复杂的。