CNN网络架构演进：从LeNet到DetNet

卷积神经网络可谓是现在深度学习领域中大红大紫的网络框架，尤其在计算机视觉领域更是一枝独秀。CNN从90年代的LeNet开始，21世纪初沉寂了10年，直到12年AlexNet开始又再焕发第二春，从ZF Net到VGG，GoogLeNet再到ResNet和最近的DenseNet，网络越来越深，架构越来越复杂，解决反向传播时梯度消失的方法也越来越巧妙。
在图像的众多任务中，第一步通常是利用卷积神经网络处理输入图像，生成深层的特征图，然后再利用各种算法完成区域生成与损失计算，这部分卷积神经网络是整个检测算法的“骨架”，也被称为Backbone。

本文将会谈到以下经典的卷积神经网络：
1、LeNet：开山之作
2、AlexNet：王者归来
3、ZF：稳步前行
4、VGG：走向深度
5、GoogLeNet（Inception）：纵横交错
6、ResNet：里程碑的残差结构
7、DenseNet：继往开来，多重残差
8、FPN：特征金字塔
9、DetNet：为检测而生

1 开山之作：LeNet

LeNet-5出自论文Gradient-Based Learning Applied to Document Recognition，是一种用于手写体字符识别的非常高效的卷积神经网络。

闪光点：定义了CNN的基本组件，是CNN的鼻祖。

LeNet是卷积神经网络的祖师爷LeCun在1998年提出，用于解决手写数字识别的视觉任务。自那时起，CNN的最基本的架构就定下来了：卷积层、池化层、全连接层。如今各大深度学习框架中所使用的LeNet都是简化改进过的LeNet-5（-5表示具有5个层），和原始的LeNet有些许不同，比如把激活函数改为了现在很常用的ReLu。

LeNet-5跟现有的conv->pool->ReLU的套路不同，它使用的方式是conv1->pool->conv2->pool2再接全连接层，但是不变的是，卷积层后紧接池化层的模式依旧不变。

以上图为例，对经典的LeNet-5做深入分析：

  • 1首先输入图像是单通道的28* 28大小的图像，用矩阵表示就是[1,28,28]

  • 2 第一个卷积层conv1所用的卷积核尺寸为5* 5，滑动步长为1，卷积核数目为20，那么经过该层后图像尺寸变为24，28-5+1=24，输出矩阵为[20,24,24]。

  • 3 第一个池化层pool核尺寸为2* 2，步长2，这是没有重叠的max pooling，池化操作后，图像尺寸减半，变为12×12，输出矩阵为[20,12,12]。

  • 4 第二个卷积层conv2的卷积核尺寸为5* 5，步长1，卷积核数目为50，卷积后图像尺寸变为8,这是因为12-5+1=8，输出矩阵为[50,8,8].

  • 5 第二个池化层pool2核尺寸为2* 2，步长2，这是没有重叠的max pooling，池化操作后，图像尺寸减半，变为4×4，输出矩阵为[50,4,4]。

  • 6 pool2后面接全连接层fc1，神经元数目为500，再接relu激活函数。

  • 7 再接fc2，神经元个数为10，得到10维的特征向量，用于10个数字的分类训练，送入softmaxt分类，得到分类结果的概率output。

LeNet的Keras实现：
def LeNet():
model = Sequential()
model.add(Conv2D(32,(5,5),strides=(1,1),input_shape=(28,28,1),padding=‘valid’,activation=‘relu’,kernel_initializer=‘uniform’))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2,2)))
model.add(Conv2D(64,(5,5),strides=(1,1),padding=‘valid’,activation=‘relu’,kernel_initializer=‘uniform’))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2,2)))
model.add(Flatten())
model.add(Dense(100,activation=‘relu’))
model.add(Dense(10,activation=‘softmax’))
return model

Lenet更为详细介绍，详见网络解析（一）：LeNet-5详解

2 王者归来：AlexNet

AlexNet在2012年ImageNet竞赛中以超过第二名10.9个百分点的绝对优势一举夺冠，从此深度学习和卷积神经网络名声鹊起，深度学习的研究如雨后春笋般出现，AlexNet的出现可谓是卷积神经网络的王者归来。

2.1 特点

AlexNet是在LeNet的基础上加深了网络的结构，学习更丰富更高维的图像特征。AlexNet的特点：

  • 更深的网络结构
  • 使用层叠的卷积层，即卷积层+卷积层+池化层来提取图像的特征
  • 使用Dropout抑制过拟合
  • 使用数据增强Data Augmentation抑制过拟合
  • 使用Relu替换之前的sigmoid的作为激活函数
  • LRN
  • 多GPU训练

2.1.1 ReLu作为激活函数

相比于sigmoid，ReLU有以下有点：

  • 计算开销小。
    sigmoid的正向传播有指数运算，倒数运算，而ReLu是线性输出；反向传播中，sigmoid有指数运算，而ReLU有输出的部分，导数始终为1.
  • 梯度饱和问题
  • 稀疏性。Relu会使一部分神经元的输出为0，这样就造成了网络的稀疏性，并且减少了参数的相互依存关系，缓解了过拟合问题的发生。

2.1.2 数据增强

神经网络由于训练的参数多，表能能力强，所以需要比较多的数据量，不然很容易过拟合。当训练数据有限时，可以通过一些变换从已有的训练数据集中生成一些新的数据，以快速地扩充训练数据。对于图像数据集来说，可以对图像进行一些形变操作：

  • 翻转
  • 随机裁剪
  • 平移，颜色光照的变换
    …

AlexNet中对数据做了以下操作：
1、随机裁剪，对256×256的图片进行随机裁剪到224×224，然后进行水平翻转。
2、测试的时候，对左上、右上、左下、右下、中间分别做了5次裁剪，然后翻转，共10个裁剪，之后对结果求平均。
3、对RGB空间做PCA（主成分分析），然后对主成分做一个（0, 0.1）的高斯扰动，也就是对颜色、光照作变换，结果使错误率又下降了1%。

2.1.3 层叠池化

在LeNet中池化是不重叠的，即池化的窗口的大小和步长是相等的，如下

一般的池化层因为没有重叠，所以pool_size 和 stride一般是相等的，例如8×8的一个图像，如果池化层的尺寸是2×2，那么经过池化后的操作得到的图像是 4×4大小，这种设置叫做不覆盖的池化操作，如果 stride < pool_size, 那么就会产生覆盖的池化操作，这种有点类似于convolutional化的操作，这样可以得到更准确的结果。在AlexNet中使用的池化（Pooling）却是可重叠的，AlexNet池化的大小为3×3的正方形，每次池化移动步长为2，这样就会出现重叠。在top-1，和top-5中使用覆盖的池化操作分别将error rate降低了0.4%和0.3%。论文中说，在训练模型过程中，覆盖的池化层更不容易过拟合。

2.1.4 Local Responce Normalization局部相应归一化

局部响应归一层的基本思路是，假如这是网络的一块，比如是 13×13×256， LRN 要做的就是选取一个位置，比如说这样一个位置，从这个位置穿过整个通道，能得到 256 个数字，并进行归一化。进行局部响应归一化的动机是，对于这张 13×13 的图像中的每个位置来说，我们可能并不需要太多的高激活神经元。但是后来，很多研究者发现 LRN 起不到太大作用，因为并不重要，而且我们现在并不用 LRN 来训练网络。

2.1.5 Dropout

这个是比较常用的抑制过拟合的方法了。
引入Dropout主要是为了防止过拟合。在神经网络中Dropout通过修改神经网络本身结构来实现，对于某一层的神经元，通过定义的概率将神经元置为0，这个神经元就不参与前向和后向传播，就如同在网络中被删除了一样，同时保持输入层与输出层神经元的个数不变，然后按照神经网络的学习方法进行参数更新。在下一次迭代中，又重新随机删除一些神经元（置为0），直至训练结束。
Dropout应该算是AlexNet中一个很大的创新，现在神经网络中的必备结构之一。Dropout也可以看成是一种模型组合，每次生成的网络结构都不一样，通过组合多个模型的方式能够有效地减少过拟合，Dropout只需要两倍的训练时间即可实现模型组合（类似取平均）的效果，非常高效。

2.2 Alex网络结构

首先这幅图分为上下两个部分的网络，论文中提到这两部分网络是分别对应两个GPU，只有到了特定的网络层后才需要两块GPU进行交互，这种设置完全是利用两块GPU来提高运算的效率，其实在网络结构上差异不是很大。因此，只需拿出其中一个讲解即可：

AlexNet针对的是1000类的分类问题，输入图片规定是256×256的三通道彩色图片，为了增强模型的泛化能力，避免过拟合，作者使用了随机裁剪的思路对原来256×256的图像进行随机裁剪，得到尺寸为3×224×224的图像，输入到网络训练。

网络包含8个带权重的层；前5层是卷积层，剩下的3层是全连接层。最后一层全连接层的输出是1000维softmax的输入，softmax会产生1000类标签的分布网络包含8个带权重的层；前5层是卷积层，剩下的3层是全连接层。最后一层全连接层的输出是1000维softmax的输入，softmax会产生1000类标签的分布。

  • 卷积层C1

    • 该层的处理流程是： 卷积–>ReLU–>池化–>归一化。
    • 卷积，输入是224×224×3，使用96个11×11×3的卷积核，滑动步长为4，得到的FeatureMap为55×55×96。(这里的55是个难以理解的数字，作者也没有对此说明，如果按照正常计算的话(224-11)/4+1 != 55的，所以这里是做了padding再做卷积的，即先padiing图像至227×227，再做卷积(227-11)/4+1 = 55。)
    • ReLU，将卷积层输出的FeatureMap输入到ReLU函数中。
    • 池化，使用3×3步长为2的池化单元（重叠池化，步长小于池化单元的宽度），输出为27×27×96（(55−3)/2+1=27)
    • 局部响应归一化，使用k=2,n=5,α=10−4,β=0.75进行局部归一化，输出的仍然为27×27×96，输出分为两组，每组的大小为27×27×48
  • 卷积层C2
    • 该层的处理流程是：卷积–>ReLU–>池化–>归一化
    • 卷积，输入是2组27×27×48。使用2组，每组128个尺寸为5×5×48的卷积核，并作了边缘填充padding=2，卷积的步长为1. 则输出的FeatureMap为2组，每组的大小为27×27 times128. （(27+2∗2−5)/1+1=27）
    • ReLU，将卷积层输出的FeatureMap输入到ReLU函数中
    • 池化运算的尺寸为3×3，步长为2，池化后图像的尺寸为(27−3)/2+1=13，输出为13×13×256
    • 局部响应归一化，使用k=2,n=5,α=10−4,β=0.75进行局部归一化，输出的仍然为13×13×256，输出分为2组，每组的大小13×13×128
  • 卷积层C3
    • 该层的处理流程是： 卷积–>ReLU
    • 卷积，输入是13×13×256，使用2组共384个尺寸为3×3×256的卷积核，做了边缘填充padding=1，卷积的步长为1.则输出的FeatureMap为13×13 times384
    • ReLU，将卷积层输出的FeatureMap输入到ReLU函数中
  • 卷积层C4
    • 该层的处理流程是： 卷积–>ReLU（该层和C3类似。）
    • 卷积，输入是13×13×384，分为两组，每组为13×13×192.使用2组，每组192个尺寸为3×3×192的卷积核，做了边缘填充padding=1，卷积的步长为1.则输出的FeatureMap为13×13 times384，分为两组，每组为13×13×192
    • ReLU，将卷积层输出的FeatureMap输入到ReLU函数中
  • 卷积层C5
    • 该层处理流程为：卷积–>ReLU–>池化
    • 卷积，输入为13×13×384，分为两组，每组为13×13×192。使用2组，每组为128尺寸为3×3×192的卷积核，做了边缘填充padding=1，卷积的步长为1.则输出的FeatureMap为13×13×256
    • ReLU，将卷积层输出的FeatureMap输入到ReLU函数中
    • 池化，池化运算的尺寸为3×3，步长为2，池化后图像的尺寸为 (13−3)/2+1=6,即池化后的输出是6×6×256
  • 全连接层FC6
    • 该层的流程为：（卷积）全连接 -->ReLU -->Dropout
    • 卷积->全连接： 输入为6×6×256,该层有4096个卷积核，每个卷积核的大小为6×6×256。由于卷积核的尺寸刚好与待处理特征图（输入）的尺寸相同，即卷积核中的每个系数只与特征图（输入）尺寸的一个像素值相乘，一一对应，因此，该层被称为全连接层。由于卷积核与特征图的尺寸相同，卷积运算后只有一个值，因此，卷积后的像素层尺寸为4096×1×1，即有4096个神经元。
    • ReLU,这4096个运算结果通过ReLU激活函数生成4096个值
    • Dropout,抑制过拟合，随机的断开某些神经元的连接或者是不激活某些神经元
  • 全连接层FC7
    • 流程为：全连接–>ReLU–>Dropout
    • 全连接，输入为4096的向量
    • ReLU,这4096个运算结果通过ReLU激活函数生成4096个值
    • Dropout,抑制过拟合，随机的断开某些神经元的连接或者是不激活某些神经元
  • 输出层
    • 第七层输出的4096个数据与第八层的1000个神经元进行全连接，经过训练后输出1000个float型的值，这就是预测结果的值

2.3 AlexNet参数数量

卷积层的参数 = 卷积核的数量 * 卷积核 + 偏置

  • C1: 96个11×11×3的卷积核，96×11×11×3+96=34848
  • C2: 2组，每组128个5×5×48的卷积核，(128×5×5×48+128)×2=307456
  • C3: 384个3×3×256的卷积核，3×3×256×384+384=885120
  • C4: 2组，每组192个3×3×192的卷积核，(3×3×192×192+192)×2=663936
  • C5: 2组，每组128个3×3×192的卷积核，(3×3×192×128+128)×2=442624
  • FC6: 4096个6×6×256的卷积核，6×6×256×4096+4096=37752832
  • FC7: 4096∗4096+4096=16781312
  • output: 4096∗1000=4096000

卷积层 C2,C4,C5中的卷积核只和位于同一GPU的上一层的FeatureMap相连。从上面可以看出，参数大多数集中在全连接层，在卷积层由于权值共享，权值参数较少。

AlexNet的Keras实现：
def AlexNet():

model = Sequential()
model.add(Conv2D(96,(11,11),strides=(4,4),input_shape=(227,227,3),padding='valid',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(3,3),strides=(2,2)))
model.add(Conv2D(256,(5,5),strides=(1,1),padding='same',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(3,3),strides=(2,2)))
model.add(Conv2D(384,(3,3),strides=(1,1),padding='same',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(Conv2D(384,(3,3),strides=(1,1),padding='same',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(Conv2D(256,(3,3),strides=(1,1),padding='same',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(3,3),strides=(2,2)))
model.add(Flatten())
model.add(Dense(4096,activation='relu'))
model.add(Dropout(0.5))
model.add(Dense(4096,activation='relu'))
model.add(Dropout(0.5))
model.add(Dense(1000,activation='softmax'))
return model

3 稳步前行：ZF-Net

ZFNet是2013ImageNet分类任务的冠军，其网络结构没什么改进，只是调了调参，性能较Alex提升了不少。ZF-Net只是将AlexNet第一层卷积核由11变成7，步长由4变为2，第3，4，5卷积层转变为384，384，256。这一年的ImageNet还是比较平静的一届，其冠军ZF-Net的名堂也没其他届的经典网络架构响亮。

ZF-Net的Keras实现：

def ZF_Net():

model = Sequential()
model.add(Conv2D(96,(7,7),strides=(2,2),input_shape=(224,224,3),padding='valid',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(3,3),strides=(2,2)))
model.add(Conv2D(256,(5,5),strides=(2,2),padding='same',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(3,3),strides=(2,2)))
model.add(Conv2D(384,(3,3),strides=(1,1),padding='same',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(Conv2D(384,(3,3),strides=(1,1),padding='same',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(Conv2D(256,(3,3),strides=(1,1),padding='same',activation='relu',kernel_initializer='uniform'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(3,3),strides=(2,2)))
model.add(Flatten())
model.add(Dense(4096,activation='relu'))
model.add(Dropout(0.5))
model.add(Dense(4096,activation='relu'))
model.add(Dropout(0.5))
model.add(Dense(1000,activation='softmax'))
return model

4 越走越深：VGG-Nets

VGG-Nets是由牛津大学VGG（Visual Geometry Group）提出，是2014年ImageNet竞赛定位任务的第一名和分类任务的第二名的中的基础网络。VGG可以看成是加深版本的AlexNet. 都是conv layer + FC layer，在当时看来这是一个非常深的网络了，因为层数高达十多层，我们从其论文名字就知道了（《Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Visual Recognition》），当然以现在的目光看来VGG真的称不上是一个very deep的网络。

上面一个表格是描述的是VGG-Net的网络结构以及诞生过程。为了解决初始化（权重初始化）等问题，VGG采用的是一种Pre-training的方式，这种方式在经典的神经网络中经常见得到，就是先训练一部分小网络，然后再确保这部分网络稳定之后，再在这基础上逐渐加深。表1从左到右体现的就是这个过程，并且当网络处于D阶段的时候，效果是最优的，因此D阶段的网络也就是VGG-16了！E阶段得到的网络就是VGG-19了！VGG-16的16指的是conv+fc的总层数是16，是不包括max pool的层数！
从图中可以看出，VGGNet采用了五组卷积与三个
全连接层，最后使用Softmax做分类。
下面这个图就是VGG-16的网络结构。

由上图看出，VGG-16的结构非常整洁，深度较AlexNet深得多，里面包含多个conv->conv->max_pool这类的结构,VGG的卷积层都是same的卷积，即卷积过后的输出图像的尺寸与输入是一致的，它的下采样完全是由max pooling来实现。

VGG网络后接3个全连接层，filter的个数（卷积后的输出通道数）从64开始，然后没接一个pooling后其成倍的增加，128、512，VGG的注意贡献是使用小尺寸的filter，及有规则的卷积-池化操作。

闪光点：卷积层使用更小的filter尺寸和间隔

与AlexNet相比，可以看出VGG-Nets的卷积核尺寸还是很小的，比如AlexNet第一层的卷积层用到的卷积核尺寸就是11* 11，这是一个很大卷积核了。而反观VGG-Nets，用到的卷积核的尺寸无非都是1×1和3×3的小卷积核，可以替代大的filter尺寸。

3×3卷积核的优点：

  • 多个3×3的卷基层比一个大尺寸filter卷基层有更多的非线性，使得判决函数更加具有判决性
  • 多个3×3的卷积层比一个大尺寸的filter有更少的参数，假设卷基层的输入和输出的特征图大小相同为C，那么三个3×3的卷积层参数个数3×（3×3×C×C）=27CC；一个7×7的卷积层参数为49CC；所以可以把三个3×3的filter看成是一个7×7filter的分解（中间层有非线性的分解）

1×1卷积核的优点：
作用是在不影响输入输出维数的情况下，对输入进行线性形变，然后通过Relu进行非线性处理，增加网络的非线性表达能力。

5 纵横交错Inception（GoogLeNet）

一般来说，增加网络的深度与宽度可以提升网络的性能，但是这样做也会带来参数量的大幅度增加，同时较深的网络需要较多的数据，否则容易产生过拟合现象。除此之外，增加神经网络的深度容易带来梯度消失的现象。
Inception v1（又名GoogLeNet）在2014的ImageNet分类任务上击败了VGG-Nets夺得冠军，其实力肯定是非常深厚的，GoogLeNet跟AlexNet,VGG-Nets这种单纯依靠加深网络结构进而改进网络性能的思路不一样，它另辟幽径，在加深网络的同时（22层），也在网络结构上做了创新，引入Inception结构代替了单纯的卷积+激活的传统操作（这思路最早由Network in Network提出）。GoogLeNet进一步把对卷积神经网络的研究推上新的高度。

Inception历经了V1、V2、V3、V4等多个版本的发展，不断趋于完善，下面一一进行介绍

5.1 Inception V1

Inception v1网络是一个精心设计的22层卷积网络，并提出了具有良好局部特征结构的Inception模块，即对特征并行地执行多个大小不同的卷积运算与池化，最后再拼接到一起。由于1×1、3×3和5×5的卷积运算对应不同的特征图区域，因此这样做的好处是可以得到更好的图像表征信息。

通过设计一个稀疏网络结构，但是能够产生稠密的数据，既能增加神经网络表现，又能保证计算资源的使用效率。谷歌提出了最原始Inception的基本结构：

该结构将CNN中常用的卷积（1x1，3x3，5x5）、池化操作（3x3）堆叠在一起（卷积、池化后的尺寸相同，将通道相加），一方面增加了网络的宽度，另一方面也增加了网络对尺度的适应性。
网络卷积层中的网络能够提取输入的每一个细节信息，同时5x5的滤波器也能够覆盖大部分接受层的的输入。还可以进行一个池化操作，以减少空间大小，降低过度拟合。在这些层之上，在每一个卷积层后都要做一个ReLU操作，以增加网络的非线性特征。
然而这个Inception原始版本，所有的卷积核都在上一层的所有输出上来做，而那个5x5的卷积核所需的计算量就太大了，造成了特征图的厚度很大，为了避免这种情况，在3x3前、5x5前、max pooling后分别加上了1x1的卷积核，以起到了降低特征图厚度的作用，这也就形成了Inception v1的网络结构，如下图所示：

1x1的卷积核有什么用呢？
1x1卷积的主要目的是为了减少维度，还用于修正线性激活（ReLU）。比如，上一输出为100x100x128，经过具有256个通道的5x5卷积层之后(stride=1，pad=2)，输出数据为100x100x256，其中，卷积层的参数为128x5x5x256= 819200。而假如上一层输出先经过具有32个通道的1x1卷积层，再经过具有256个输出的5x5卷积层，那么输出数据仍为为100x100x256，但卷积参数量已经减少为128x1x1x32 + 32x5x5x256= 204800，大约减少了4倍。
基于Inception构建了GoogLeNet的网络结构如下（共22层）。Inception v1网络一共有9个上述堆叠的模块，共有22层，在最后的Inception模块处使用了全局平均池化。为了避免深层网络训练时带来的梯度消失问题，作者还引入了两个辅助的分类器，在第3个与第6个Inception模块输出后执行Softmax并计算损失，在训练时和最后的损失一并回传。

对上图说明如下：
（1）GoogLeNet采用了模块化的结构（Inception结构），方便增添和修改；
（2）网络最后采用了average pooling（平均池化）来代替全连接层，该想法来自NIN（Network in Network），事实证明这样可以将准确率提高0.6%。但是，实际在最后还是加了一个全连接层，主要是为了方便对输出进行灵活调整；
（3）虽然移除了全连接，但是网络中依然使用了Dropout ;
（4）为了避免梯度消失，网络额外增加了2个辅助的softmax用于向前传导梯度（辅助分类器）。辅助分类器是将中间某一层的输出用作分类，并按一个较小的权重（0.3）加到最终分类结果中，这样相当于做了模型融合，同时给网络增加了反向传播的梯度信号，也提供了额外的正则化，对于整个网络的训练很有裨益。而在实际测试的时候，这两个额外的softmax会被去掉。

GoogLeNet的网络结构图细节如下：

注：上表中的“#3x3 reduce”，“#5x5 reduce”表示在3x3，5x5卷积操作之前使用了1x1卷积的数量。
LOSS单元
GoogLeNet网络结构中有3个LOSS单元，这样的网络设计是为了帮助网络的收敛。在中间层加入辅助计算的LOSS单元，目的是计算损失时让低层的特征也有很好的区分能力，从而让网络更好地被训练。在论文中，这两个辅助LOSS单元的计算被乘以0.3，然后和最后的LOSS相加作为最终的损失函数来训练网络。
全连接层全部替换为简单的全局平均pooling
GoogLeNet还有一个闪光点值得一提，那就是将后面的全连接层全部替换为简单的全局平均pooling，在最后参数会变的更少。而在AlexNet中最后3层的全连接层参数差不多占总参数的90%，使用大网络在宽度和深度允许GoogleNet移除全连接层，但并不会影响到结果的精度，在ImageNet中实现93.3%的精度，而且要比VGG还要快。

5.2 Inception V2

GoogLeNet凭借其优秀的表现，得到了很多研究人员的学习和使用，因此GoogLeNet团队又对其进行了进一步地发掘改进，产生了升级版本的GoogLeNet。
GoogLeNet设计的初衷就是要又准又快，而如果只是单纯的堆叠网络虽然可以提高准确率，但是会导致计算效率有明显的下降，所以如何在不增加过多计算量的同时提高网络的表达能力就成为了一个问题。
Inception V2版本的解决方案就是修改Inception的内部计算逻辑，提出了比较特殊的“卷积”计算结构。

1、卷积分解（Factorizing Convolutions）
大尺寸的卷积核可以带来更大的感受野，但也意味着会产生更多的参数，比如5x5卷积核的参数有25个，3x3卷积核的参数有9个，前者是后者的25/9=2.78倍。因此，GoogLeNet团队提出可以用2个连续的3x3卷积层组成的小网络来代替单个的5x5卷积层，即在保持感受野范围的同时又减少了参数量，如下图：

那么这种替代方案会造成表达能力的下降吗？通过大量实验表明，并不会造成表达缺失。
可以看出，大卷积核完全可以由一系列的3x3卷积核来替代，那能不能再分解得更小一点呢？GoogLeNet团队考虑了nx1的卷积核，如下图所示，用3个3x1取代3x3卷积：

因此，任意nxn的卷积都可以通过1xn卷积后接nx1卷积来替代。GoogLeNet团队发现在网络的前期使用这种分解效果并不好，在中度大小的特征图（feature map）上使用效果才会更好（特征图大小建议在12到20之间）。

2、降低特征图大小
一般情况下，如果想让图像缩小，可以有如下两种方式：

先池化再作Inception卷积，或者先作Inception卷积再作池化。但是方法一（左图）先作pooling（池化）会导致特征表示遇到瓶颈（特征缺失），方法二（右图）是正常的缩小，但计算量很大。为了同时保持特征表示且降低计算量，将网络结构改为下图，使用两个并行化的模块来降低计算量（卷积、池化并行执行，再进行合并）

5.3 Inception V3

Inception-v2 和 Inception-v3 出现在同一篇paper中（在此之前的Batch Nomalization的文章中，也用到了Inception网络；Inception-v2 和 Inception-v3开始使用Batch Normalization）。

Inception-v3比Inception-v2增加了几种处理：（1）RMSProp优化器；（2）使用了LabelSmoothing；（3）7×7卷积变成了1×7和7×1的卷积核叠加；（4）辅助分类器使用了 BatchNorm。 同时输入图像大小变成299×299。

5.4 Inception V4

Inception V4研究了Inception模块与残差连接的结合。ResNet结构大大地加深了网络深度，还极大地提升了训练速度，同时性能也有提升。
Inception V4主要利用残差连接（Residual Connection）来改进V3结构，得到Inception-ResNet-v1，Inception-ResNet-v2，Inception-v4网络。
ResNet的残差结构如下：

将该结构与Inception相结合，变成下图：

通过20个类似的模块组合，Inception-ResNet构建如下：

6 里程碑式创新：ResNet

2015年何恺明推出的ResNet在ISLVRC和COCO上横扫所有选手，获得冠军。ResNet在网络结构上做了大创新，而不再是简单的堆积层数，ResNet在卷积神经网络的新思路，绝对是深度学习发展历程上里程碑式的事件。

闪光点：

  • 层数非常深，已经超过百层
  • 引入残差单元来解决退化问题

从前面可以看到，随着网络深度增加，网络的准确度应该同步增加，当然要注意过拟合问题。但是网络深度增加的一个问题在于这些增加的层是参数更新的信号，因为梯度是从后向前传播的，增加网络深度后，比较靠前的层梯度会很小。这意味着这些层基本上学习停滞了，这就是梯度消失问题。深度网络的第二个问题在于训练，当网络更深时意味着参数空间更大，优化问题变得更难，因此简单地去增加网络深度反而出现更高的训练误差，深层网络虽然收敛了，但网络却开始退化了，即增加网络层数却导致更大的误差，比如下图，一个56层的网络的性能却不如20层的性能好，这不是因为过拟合（训练集训练误差依然很高），这就是烦人的退化问题。残差网络ResNet设计一种残差模块让我们可以训练更深的网络。

这里详细分析一下残差单元来理解ResNet的精髓。

从下图可以看出，数据经过了两条路线，一条是常规路线，另一条则是捷径（shortcut），直接实现单位映射的直接连接的路线，这有点类似与电路中的“短路”。通过实验，这种带有shortcut的结构确实可以很好地应对退化问题。我们把网络中的一个模块的输入和输出关系看作是y=H(x)，那么直接通过梯度方法求H(x)就会遇到上面提到的退化问题，如果使用了这种带shortcut的结构，那么可变参数部分的优化目标就不再是H(x),若用F(x)来代表需要优化的部分的话，则H(x)=F(x)+x，也就是F(x)=H(x)-x。因为在单位映射的假设中y=x就相当于观测值，所以F(x)就对应着残差，因而叫残差网络。为啥要这样做，因为作者认为学习残差F(X)比直接学习H(X)简单！设想下，现在根据我们只需要去学习输入和输出的差值就可以了，绝对量变为相对量（H（x）-x 就是输出相对于输入变化了多少），优化起来简单很多。

考虑到x的维度与F(X)维度可能不匹配情况，需进行维度匹配。这里论文中采用两种方法解决这一问题(其实是三种，但通过实验发现第三种方法会使performance急剧下降，故不采用):

  • zero_padding:对恒等层进行0填充的方式将维度补充完整。这种方法不会增加额外的参数
  • projection:在恒等层采用1x1的卷积核来增加维度。这种方法会增加额外的参数

下图展示了两种形态的残差模块，左图是常规残差模块，有两个3×3卷积核卷积核组成，但是随着网络进一步加深，这种残差结构在实践中并不是十分有效。针对这问题，右图的“瓶颈残差模块”（bottleneck residual block）可以有更好的效果，它依次由1×1、3×3、1×1这三个卷积层堆积而成，这里的1×1的卷积能够起降维或升维的作用，从而令3×3的卷积可以在相对较低维度的输入上进行，以达到提高计算效率的目的。

那么从另一个角度看，在反向传播中，residual模块会起到什么样的作用呢？

  • residual模块将输出分成F(x)+x两部分，其中F依然是x的函数，也就是说F实际上是对于x的补充，是对于x的fun-tuning，这样就把任务从根据x映射成一个新的y转为了根据x求x和y之间的差距，这明显是一个相对更加简单的任务，论文是这么写的，到底怎么简单的，我们来分析一下。

  • 其次，因为前向过程中有恒等映射的支路存在，因此在反向传播过程中梯度的传导也多了更简便的路径，仅仅经过一个relu就可以把梯度传达给上一个模块。

  • 所谓反向传播就是网络输出一个值，然后与真实值做比较的到一个误差损失，同时将这个损失做差改变参数，返回的损失大小取决于原来的损失和梯度，既然目的是为了改变参数，而问题是改变参数的力度过小，则可以减小参数的值，使损失对参数改变的力度相对更大。

  • 因此残差模块最重要的作用就是改变了前向和后向信息传递的方式从而很大程度上促进了网络的优化。
    ————————————————
    在ResNet中，上述的一个残差模块称为Bottleneck。ResNet有不同网络层数的版本，如18层、34层、50层、101层和152层，这里以常用的50层来讲解。ResNet-50的网络架构如图3.18所示，最主要的部分在于中间经历了4个大的卷积组，而这4个卷积组分别包含了3、4、6这3个Bottleneck模块。最后经过一个全局平均池化使得特征图大小变为1×1，然后进行1000维的全连接，最后经过Softmax输出分类得分。

    由于F(x)+x是逐通道进行相加，因此根据两者是否通道数相同，存在两种Bottleneck结构。对于通道数不同的情况，比如每个卷积组的第一个Bottleneck，需要利用1×1卷积对x进行Downsample操作，将通道数变为相同，再进行加操作。对于相同的情况下，两者可以直接进行相加。

7 继往开来：DenseNet

自Resnet提出以后，ResNet的变种网络层出不穷，都各有其特点，网络性能也有一定的提升。DenseNet是CVPR 2017最佳论文，论文中提出的DenseNet（Dense Convolutional Network）主要还是和ResNet及Inception网络做对比，思想上有借鉴，但却是全新的结构，网络结构并不复杂，却非常有效，在CIFAR指标上全面超越ResNet。可以说DenseNet吸收了ResNet最精华的部分，并在此上做了更加创新的工作，使得网络性能进一步提升。
闪光点：
密集连接：缓解梯度消失问题，加强特征传播，鼓励特征复用，极大的减少了参数量

DenseNet 是一种具有密集连接的卷积神经网络。在该网络中，任何两层之间都有直接的连接，也就是说，网络每一层的输入都是前面所有层输出的并集，而该层所学习的特征图也会被直接传给其后面所有层作为输入。下图是 DenseNet 的一个dense block示意图，一个block里面的结构如下，与ResNet中的BottleNeck基本一致：BN-ReLU-Conv(1×1)-BN-ReLU-Conv(3×3) ，而一个DenseNet则由多个这种block组成。每个DenseBlock的之间层称为transition layers，由BN−>Conv(1×1)−>averagePooling(2×2)组成

密集连接不会带来冗余吗？不会！密集连接这个词给人的第一感觉就是极大的增加了网络的参数量和计算量。但实际上 DenseNet 比其他网络效率更高，其关键就在于网络每层计算量的减少以及特征的重复利用。DenseNet则是让l层的输入直接影响到之后的所有层，它的输出为：xl=Hl([X0,X1,…,xl−1])，其中[x0,x1,…,xl−1]就是将之前的feature map以通道的维度进行合并。并且由于每一层都包含之前所有层的输出信息，因此其只需要很少的特征图就够了，这也是为什么DneseNet的参数量较其他模型大大减少的原因。这种dense connection相当于每一层都直接连接input和loss，因此就可以减轻梯度消失现象，这样更深网络不是问题

需要明确一点，dense connectivity 仅仅是在一个dense block里的，不同dense block 之间是没有dense connectivity的，比如下图所示。

在上图中，Dense Block中的黑点代表一个卷积层，其中的多条黑线代表数据的流动，每一层的输入由前面的所有卷积层的输出组成。注意这里使用了通道拼接（Concatnate）操作，而非ResNet的逐元素相加操作。

DenseNet的结构有如下两个特性：

  • 神经网络一般需要使用池化等操作缩小特征图尺寸来提取语义特征，而Dense Block需要保持每一个Block内的特征图尺寸一致来直接进行Concatnate操作，因此DenseNet被分成了多个Block。Block的数量一般为4。
  • 两个相邻的Dense Block之间的部分被称为Transition层，具体包括BN、ReLU、1×1卷积、2×2平均池化操作。1×1卷积的作用是降维，起到压缩模型的作用，而平均池化则是降低特征图的尺寸，

具体的Block实现细节如图3.20所示，每一个Block由若干个Bottleneck的卷积层组成，对应图3.19中的黑点。Bottleneck由BN、ReLU、1×1卷积、BN、ReLU、3×3卷积的顺序构成。

关于Block，有以下4个细节需要注意：

  • 每一个Bottleneck输出的特征通道数是相同的，例如这里的32。同时可以看到，经过Concatnate操作后的通道数是按32的增长量增加的，因此这个32也被称为GrowthRate。
  • 这里1×1卷积的作用是固定输出通道数，达到降维的作用。当几十个Bottleneck相连接时，Concatnate后的通道数会增加到上千，如果不增加1×1的卷积来降维，后续3×3卷积所需的参数量会急剧增加。1×1卷积的通道数通常是GrowthRate的4倍。
  • 图3.20中的特征传递方式是直接将前面所有层的特征Concatnate后传到下一层，这种方式与具体代码实现的方式是一致的，而不像图3.19中，前面层都要有一个箭头指向后面的所有层。
  • Block采用了激活函数在前、卷积层在后的顺序，这与一般的网络上是不同的。

DenseNet网络的优势主要体现在以下两个方面：

  • 密集连接的特殊网络，使得每一层都会接受其后所有层的梯度，而不是像普通卷积链式的反传，因此一定程度上解决了梯度消失的问题。
  • 通过Concatnate操作使得大量的特征被复用，每个层独有的特征图的通道是较少的，因此相比ResNet，DenseNet参数更少且计算更高效。

DenseNet的不足在于由于需要进行多次Concatnate操作，数据需要被复制多次，显存容易增加得很快，需要一定的显存优化技术。另外，DenseNet是一种更为特殊的网络，ResNet则相对一般化一些，因此ResNet的应用范围更广泛。

8、特征金字塔：FPN

为了增强语义性，传统的物体检测模型通常只在深度卷积网络的最后一个特征图上进行后续操作，而这一层对应的下采样率（图像缩小的倍数）通常又比较大，如16、32，造成小物体在特征图上的有效信息较少，小物体的检测性能会急剧下降，这个问题也被称为多尺度问题。

解决多尺度问题的关键在于如何提取多尺度的特征。传统的方法有图像金字塔（Image Pyramid），主要思路是将输入图片做成多个尺度，不同尺度的图像生成不同尺度的特征，这种方法简单而有效，大量使用在了COCO等竞赛上，但缺点是非常耗时，计算量也很大。

从前面几节内容可以知道，卷积神经网络不同层的大小与语义信息不同，本身就类似一个金字塔结构。2017年的FPN（Feature PyramidNetwork）方法融合了不同层的特征，较好地改善了多尺度检测问题。

FPN的总体架构如图3.21所示，主要包含自下而上网络、自上而下网络、横向连接与卷积融合4个部分。

  • 自下而上：最左侧为普通的卷积网络，默认使用ResNet结构，用作提取语义信息。C1代表了ResNet的前几个卷积与池化层，而C2至C5分别为不同的ResNet卷积组，这些卷积组包含了多个Bottleneck结构，组内的特征图大小相同，组间大小递减。
  • 自上而下：首先对C5进行1×1卷积降低通道数得到P5，然后依次进行上采样得到P4、P3和P2，目的是得到与C4、C3与C2长宽相同的特征，以方便下一步进行逐元素相加。这里采用2倍最邻近上采样，即直接对临近元素进行复制，而非线性插值。
  • 横向连接（Lateral Connection）：目的是为了将上采样后的高语义特征与浅层的定位细节特征进行融合。高语义特征经过上采样后，其长宽与对应的浅层特征相同，而通道数固定为256，因此需要对底层特征C2至C4进行11卷积使得其通道数变为256，然后两者进行逐元素相加得到P4、P3与P2。由于C1的特征图尺寸较大且语义信息不足，因此没有把C1放到横向连接中。
  • 卷积融合：在得到相加后的特征后，利用3×3卷积对生成的P2至P4再进行融合，目的是消除上采样过程带来的重叠效应，以生成最终的特征图。

FPN将深层的语义信息传到底层，来补充浅层的语义信息，从而获得了高分辨率、强语义的特征，在小物体检测、实例分割等领域有着非常不俗的表现。

9、为检测而生：DetNet

前面几节的网络骨架，如VGGNet和ResNet等，虽从各个角度出发提升了物体检测性能，但究其根本是为ImageNet的图像分类任务而设计的。而图像分类与物体检测两个任务天然存在着落差，分类任务侧重于全图的特征提取，深层的特征图分辨率很低；而物体检测需要定位出物体位置，特征图分辨率不宜过小，因此造成了以下两种缺陷：

  • 大物体难以定位：对于FPN等网络，大物体对应在较深的特征图上检测，由于网络较深时下采样率较大，物体的边缘难以精确预测，增加了回归边界的难度。
  • 小物体难以检测：对于传统网络，由于下采样率大造成小物体在较深的特征图上几乎不可见；FPN虽从较浅的特征图来检测小物体，但浅层的语义信息较弱，且融合深层特征时使用的上采样操作也会增加物体检测的难度。

针对以上问题，旷视科技提出了专为物体检测设计的DetNet结构，引入了空洞卷积，使得模型兼具较大感受野与较高分辨率，同时避免了FPN的多次上采样，实现了较好的检测效果。

DetNet的网络结构如图3.22所示，仍然选择性能优越的ResNet-50作为基础结构，并保持前4个stage与ResNet-50相同，具体的结构细节有以下3点：

  • 引入了一个新的Stage 6，用于物体检测。Stage 5与Stage 6使用了DetNet提出的Bottleneck结构，最大的特点是利用空洞数为2的3×3卷积取代了步长为2的3×3卷积。
  • Stage 5与Stage 6的每一个Bottleneck输出的特征图尺寸都为原图的通道数都为256，而传统的Backbone通常是特征图尺寸递减，通道数递增。
  • 在组成特征金字塔时，由于特征图大小完全相同，因此可以直接从右向左传递相加，避免了上一节的上采样操作。为了进一步融合各通道的特征，需要对每一个阶段的输出进行1×1卷积后再与后一Stage传回的特征相加。

DetNet这种精心设计的结构，在增加感受野的同时，获得了较大的特征图尺寸，有利于物体的定位。与此同时，由于各Stage的特征图尺寸相同，避免了上一节的上采样，既一定程度上降低了计算量，又有利于小物体的检测。


DetNet中Bottleneck的细节如图3.23所示，左侧的两个Bottleneck A与Bottleneck B分别对应图3.22的A与B，右侧的为原始的ResNet残差结构。DetNet与ResNet两者的基本思想都是卷积堆叠层与恒等映射的相加，区别在于DetNet使用了空洞数为2的3×3卷积，这样使得特征图尺寸保持不变，而ResNet是使用了步长为2的3×3卷积。B相比于A，在恒等映射部分增加了一个1×1卷积，这样做可以区分开不同的Stage，并且实验发现这种做法对于特征金字塔式的检测非常重要。

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