CNN模型

• CNN模型
  • 1. CNN模型发展
    • 1.1 AlexNet
    • 1.2 VGG
    • 1.3 GoogleNet
    • 1.4 Inception
    • 1.5 ResNet
    • 1.6 Xception
    • 1.7 ShuffleNet
    • 1.8 SENet
  • 2. CNN总结

1. CNN模型发展

1.1 AlexNet

卷积核一定越大越好吗？-- 小卷积核

分组卷积首先在在AlexNet中出现，还用到一些非常大的卷积核，比如11×11、5×5卷积核，先前的观念是：卷积核越大，receptive field（感受野）越大，获取到的图片信息越多，因此获得的特征越好。但是大的卷积核会导致计算量的暴增，不利于模型深度的增加，计算性能也会降低。

1.2 VGG

卷积核一定越大越好？-- 3×3卷积核

VGG用小卷积核替代大卷积核，利用2个3×3卷积核的组合比1个5×5卷积核的效果更佳，同时参数（3×3×2 VS 5×5×1）被降低，因此后来3×3卷积核被广泛应用在各种模型中。

1.3 GoogleNet

每层卷积只能用一种尺寸的卷积核？-- 多尺寸卷积

传统的层叠式网络，基本上都是一个个卷积层的堆叠，每层只用一个尺寸的卷积核，例如VGG结构中使用了大量的3×3卷积层。事实上，同一层feature map可以分别使用多个不同尺寸的卷积核，以获得不同尺度的特征，再把这些特征结合起来，得到的特征往往比使用单一卷积核的要好，谷歌的GoogleNet，或者说Inception系列的网络，就使用了多个卷积核的结构：

GoogleNet优点：一个输入的feature map分别同时经过1×1、3×3、5×5的卷积核的处理，得出的特征再组合起来，获得更佳的特征。

GoogleNet缺点：这个结构会存在一个严重的问题：参数量比单种卷积核要多很多，如此庞大的计算量会使得模型效率低下。

1.4 Inception

怎样减少卷积层参数量？-- Bottleneck

发明GoogleNet的团队发现，如果仅仅引入多个尺寸的卷积核，会带来大量的额外的参数，受到Network In Network中1×1卷积核的启发，为了解决这个问题，他们往Inception结构中加入了一些1×1的卷积核，如图所示：

即引入了bottleneck结构，在每个卷积核前加上1x1卷积核来降低参数量。

根据上图，我们来做个对比计算，假设输入feature map的维度为256维，要求输出维度也是256维。有以下两种操作：

1. 256维的输入直接经过一个3×3×256的卷积层，输出一个256维的feature map，那么参数量为：256×3×3×256 = 589,824
2. 256维的输入先经过一个1×1×64的卷积层，再经过一个3×3×64的卷积层，最后经过一个1×1×256的卷积层，输出256维，参数量为：256×1×1×64 + 64×3×3×64 + 64×1×1×256 = 69,632。足足把第一种操作的参数量降低到九分之一！

1×1卷积核也被认为是影响深远的操作，往后大型的网络为了降低参数量都会应用上1×1卷积核。

1.5 ResNet

越深的网络就越难训练吗？-- ResNet残差网络

传统的卷积层层叠网络会遇到一个问题，当层数加深时，网络的表现越来越差，很大程度上的原因是因为当层数加深时，梯度消散得越来越严重，以至于反向传播很难训练到浅层的网络。

为了解决这个问题，何凯明大神想出了一个“残差网络”，使得梯度更容易地流动到浅层的网络当中去，而且这种“skip connection”能带来更多的好处。

残差网络ResNet设计的残差模块，如下图所示，可以训练更深的网络。

参考：

极深网络（ResNet/DenseNet）: Skip Connection为何有效及其它

为什么ResNet和DenseNet可以这么深？一文详解残差块为何能解决梯度弥散问题

1.6 Xception

卷积操作时必须同时考虑通道和区域吗？-- DepthWise操作

标准的卷积过程可以看上图，一个2×2的卷积核在卷积时，对应图像区域中的所有通道均被同时考虑，问题在于，为什么一定要同时考虑图像区域和通道？我们为什么不能把通道和空间区域分开考虑？

Xception网络就是基于以上的问题发明而来。我们首先对每一个通道进行各自的卷积操作，有多少个通道就有多少个过滤器。得到新的通道feature maps之后，这时再对这批新的通道feature maps进行标准的1×1跨通道卷积操作。这种操作被称为 “DepthWise convolution” ，缩写“DW”。

这种操作是相当有效的，在imagenet 1000类分类任务中已经超过了InceptionV3的表现，而且也同时减少了大量的参数，我们来算一算，假设输入通道数为3，要求输出通道数为256，两种做法：

1. 直接接一个3×3×256的卷积核，参数量为：3×3×3×256 = 6,912

2. DW操作，分两步完成，参数量为：3×3×3 + 3×1×1×256 = 795，又把参数量降低到九分之一！

因此，一个depthwise操作比标准的卷积操作降低不少的参数量，同时论文中指出这个模型得到了更好的分类效果。

1.7 ShuffleNet

分组卷积能否对通道进行随机分组？-- ShuffleNet

在AlexNet的Group Convolution当中，特征的通道被平均分到不同组里面，最后再通过两个全连接层来融合特征，这样一来，就只能在最后时刻才融合不同组之间的特征，对模型的泛化性是相当不利的。为了解决这个问题，ShuffleNet在每一次层叠这种Group conv层前，都进行一次channel shuffle，shuffle过的通道被分配到不同组当中。进行完一次group conv之后，再一次channel shuffle，然后分到下一层组卷积当中，以此循环。

ShuffleNet引入逐点分组卷积（pointwise group convolution）和通道混洗（channel shuffle），改进AlexNet中的Group Convolution。

经过channel shuffle之后，Group conv输出的特征能考虑到更多通道，输出的特征自然代表性就更高。另外，AlexNet的分组卷积，实际上是标准卷积操作，而在ShuffleNet里面的分组卷积操作是depthwise卷积，因此结合了通道洗牌和分组depthwise卷积的ShuffleNet，能得到超少量的参数以及超越mobilenet、媲美AlexNet的准确率！

1.8 SENet

通道间的特征都是平等的吗？ -- SEnet

无论是在Inception、DenseNet或者ShuffleNet里面，我们对所有通道产生的特征都是不分权重直接结合的，那为什么要认为所有通道的特征对模型的作用就是相等的呢？

SENet对特征权重重分配，使得特征显著性增强。

一组特征在上一层被输出，这时候分两条路线，第一条直接通过，第二条首先进行Squeeze操作（Global Average Pooling），把每个通道3维的特征压缩成一个1维，从而得到一个特征通道向量（每个数字代表对应通道的特征）。然后进行Excitation操作，把这一列特征通道向量输入两个全连接层和sigmoid，建模出特征通道间的相关性，得到的输出其实就是每个通道对应的权重，把这些权重通过Scale乘法通道加权到原来的特征上（第一条路），这样就完成了特征通道的权重分配。

论文：Squeeze-and-Excitation Networks
论文链接：https://arxiv.org/abs/1709.01507
代码地址：https://github.com/hujie-frank/SENet
PyTorch代码地址：https://github.com/miraclewkf/SENet-PyTorch
论文解读：https://www.jianshu.com/p/59fdc448a33f
参考资料：专栏 | Momenta详解ImageNet 2017夺冠架构SENet
参考资料：https://blog.csdn.net/liqiming100/article/details/82111115

2. CNN总结

1. CNN模型的发展趋势：从巨型网络到轻量化网络。现在工业界追求的重点已经不是准确率的提升（因为都已经很高了），都聚焦于速度与准确率的trade off，都希望模型又快又准。因此从原来AlexNet、VGGnet，到体积小一点的Inception、Resnet系列，到目前能移植到移动端的MobileNet、ShuffleNet（体积能降低到0.5mb！）。

2. 卷积核：

   1. 大卷积核用多个小卷积核代替；
   2. 单一尺寸卷积核用多尺寸卷积核代替；
   3. 固定形状卷积核趋于使用可变形卷积核；
   4. 使用1×1卷积核（bottleneck结构）。

3. 卷积层连接：

   1. 使用skip connection，让模型更深；
   2. densely connection，使每一层都融合上其它层的特征输出（DenseNet）

4. 卷积层通道：

   1. 标准卷积用depthwise卷积代替；
   2. 使用分组卷积；
   3. 分组卷积前使用channel shuffle；
   4. 通道加权计算。

5. 启发

   类比到通道加权操作，卷积层跨层连接能否也进行加权处理？bottleneck + Group conv + channel shuffle + depthwise的结合会不会成为以后降低参数量的标准配置？