卷积神经网络网络结构——ResNet50

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本文为在csdn博主z小白的文章基础上，做了一些自己的理解与扩展，文末附有原文链接，尊重知识产权从我做起。

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简介
ResNet是何凯明大神在2015年提出的一种网络结构，获得了ILSVRC-2015分类任务的第一名，同时在ImageNet detection，ImageNet localization，COCO detection和COCO segmentation等任务中均获得了第一名，在当时可谓是轰动一时。

ResNet又名残差神经网络，指的是在传统卷积神经网络中加入残差学习（residual learning）的思想，解决了深层网络中梯度弥散和精度下降（训练集）的问题，使网络能够越来越深，既保证了精度，又控制了速度。

我求求你们关注我好不好，泣不成声。。。

 

 

  

出发点
随着网络的加深，由于模型训练过程中有梯度的方向传播，多层次求导会连乘，可能会导致梯度趋近于0，从而梯度消散，导致网络很难收敛甚至无法收敛。梯度弥散问题目前有很多的解决办法，包括网络初始标准化，数据标准化以及中间层的标准化（Batch Normalization）等。但是网络加深还会带来另外一个问题：随着网络加深，出现训练集与测试集准确率均下降的现象，如下图，这是经过数据验证过的。

 

 

 

很多同学第一反应肯定是“这不是过拟合了吗”。其实，这不是由于过拟合引起的。过拟合通常指模型在训练集表现很好，在测试集很差。凯明大神针对这个问题提出了残差学习的思想。

残差学习指的是什么？

 

 

 

残差学习的思想就是上面这张图，可以把它理解为一个block，定义如下：

y= F(x,{W;})+x

残差学习的block一共包含两个分支或者两种映射（mapping）：

1. identity mapping，指的是上图右边那条弯的曲线。顾名思义，identity mapping指的就是本身的映射，也就是自身；

2. residual mapping，指的是另一条分支，也就是F(x)部分，这部分称为残差映射，我习惯的认为其是卷积计算部分

最后这个block输出的是卷积计算部分+其自身的映射后，relu激活一下。

为什么残差学习可以解决“网络加深准确率下降”的问题？

对于一个神经网络模型，如果该模型是最优的，那么训练就很容易将residual mapping优化到0，此时只剩下identity mapping，那么无论怎么增加深度，理论上网络会一直处于最优状态。因为相当于后面所有增加的网络都会沿着identity mapping（自身）进行信息传输，可以理解为最优网络后面的层数都是废掉的（不具备特征提取的能力），实际上没起什么作用。这样，网络的性能也就不会随着深度的增加而降低了。

我这里数学推导了一下

 

①没有跳跃链接时，L的梯度值会因为连乘而趋近于0；

②有跳跃连接时，最后L的梯度值，由于中间部分趋近于0了，所有上图最后一行“+”后面的就是趋近于0的呗，结构图中间部分相当于没用了，但还有跳跃链接传过去的L2的梯度值传到L的位置，相当于变相加强了L+2的梯度值。

网络结构
文中提到了一个名词叫“Shortcut Connection”，实际上它指的就是identity mapping，这里先解释一下，免的大家后面会confuse。针对不同深度的ResNet，作者提出了两种Residual Block：

 

 对上图做如下说明：

1. 左图为基本的residual block，residual mapping为两个64通道的3x3卷积，输入输出均为64通道，可直接相加。该block主要使用在相对浅层网络，比如ResNet-34；

2. 右图为针对深层网络提出的block，称为“bottleneck” block，主要目的就是为了降维。首先通过一个1x1卷积将256维通道（channel）降到64通道，最后通过一个256通道的1x1卷积恢复。

通过上面的介绍我们知道，residual mapping和identity mapping是沿通道维度相加的，那么如果通道维度不相同怎么办？

作者提出在identity mapping部分使用1x1卷积进行处理，表示如下：

 

其中，Ws指的是1x1卷积操作。

下图为VGG-19，Plain-34(没有使用residual结构)和ResNet-34网络结构对比：

对上图进行如下说明：

1. 相比于VGG-19，ResNet没有使用全连接层，而使用了全局平均池化层，可以减少大量参数。VGG-19大量参数集中在全连接层；

2. ResNet-34中跳跃连接“实线”为identity mapping和residual mapping通道数相同，“虚线”部分指的是两者通道数不同，需要使用1x1卷积调整通道维度，使其可以相加。 

论文一共提出5种ResNet网络，网络参数统计表如下：

 

 其中152层效果最好，日常工作中101层和50层最常用，相差不大(flops为计算次数）

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