Network in Network 2

《Network in Network》论文笔记

1.综述

这篇文章有两个很重要的观点：

1×1卷积的使用
文中提出使用mlpconv网络层替代传统的convolution层。mlp层实际上是卷积加传统的mlp（多层感知器），因为convolution是线性的，而mlp是非线性的，后者能够得到更高的抽象，泛化能力更强。在跨通道（cross channel,cross feature map）情况下，mlpconv等价于卷积层+1×1卷积层，所以此时mlpconv层也叫cccp层（cascaded cross channel parametric pooling)。
CNN网络中不使用FC层（全连接层）
文中提出使用Global Average Pooling取代最后的全连接层，因为全连接层参数多且易过拟合。做法即移除全连接层，在最后一层（文中使用mlpconv）层，后面加一层Average Pooling层。

以上两点，之所以重要，在于，其在较大程度上减少了参数个数，确能够得到一个较好的结果。而参数规模的减少，不仅有利用网络层数的加深（由于参数过多，网络规模过大，GPU显存等不够用而限制网络层数的增加，从而限制模型的泛化能力），而且在训练时间上也得到改进。

2.网络结构

传统的convolution层
单通道mlpconv层
跨通道mlpconv层（cccp层）
由图可知，mlpconv=convolution+mlp（图中为2层的mlp）。
在caffe中实现上,mlpconv=convolution+1×1convolution+1×1convolution（2层的mlp）

3.Caffe中的实现

原文3层mlpconv的完整网络结构

Caffe中4层网络示意图(ImageNet)

说明：

1.方框为网络层，椭圆为blob
2.黄色pool4为Average Pooling

caffe网络数据数据如下(crop size=224)

Layer	channels	Filter size	Filter stride	Padding size	Input size
conv1	96	11	4	-	224×224
cccp1	96	1	1	-	54×54
cccp2	96	1	1	-	54×54
pool1	96	3	2	-	54×54
conv2	256	5	1	2	27×27
cccp3	256	1	1	-	27×27
cccp4	256	1	1	-	27×27
pool2	256	3	2	-	27×27
conv3	384	3	1	1	13×13
cccp5	384	1	1	-	13×13
cccp6	384	1	1	-	13×13
pool3	384	3	2	-	13×13
conv4-1024	1024	3	1	1	6×6
cccp7-1024	1024	1	1	-	6×6
cccp8-1000	1000	1	1	-	6×6
pool4-ave	1000	6	1	-	6×6
accuracy	1000	-	-	-	1×1

对于crop size = 227，则input size的变化为227, 55, 27, 13, 6, 1。

4. 1×1卷积的作用

以下内容摘抄自：http://www.caffecn.cn/?/question/136

问：发现很多网络使用了1X1卷积核，这能起到什么作用呢？另外我一直觉得，1X1卷积核就是对输入的一个比例缩放，因为1X1卷积核只有一个参数，这个核在输入上滑动，就相当于给输入数据乘以一个系数。不知道我理解的是否正确

答1：
对于单通道的feature map和单个卷积核之间的卷积来说，题主的理解是对的，CNN里的卷积大都是多通道的feature map和多通道的卷积核之间的操作（输入的多通道的feature map和一组卷积核做卷积求和得到一个输出的feature map），如果使用1x1的卷积核，这个操作实现的就是多个feature map的线性组合，可以实现feature map在通道个数上的变化。接在普通的卷积层的后面，配合激活函数，就可以实现network in network的结构了（本内容作者仅授权给CaffeCN社区（caffecn.cn）使用，如需转载请附上内容来源说明。）

答2：
我来说说我的理解，我认为1×1的卷积大概有两个方面的作用吧：
1. 实现跨通道的交互和信息整合
2. 进行卷积核通道数的降维和升维

下面详细解释一下：
1. 这一点孙琳钧童鞋讲的很清楚。1×1的卷积层（可能）引起人们的重视是在NIN的结构中，论文中林敏师兄的想法是利用MLP代替传统的线性卷积核，从而提高网络的表达能力。文中同时利用了跨通道pooling的角度解释，认为文中提出的MLP其实等价于在传统卷积核后面接cccp层，从而实现多个feature map的线性组合，实现跨通道的信息整合。而cccp层是等价于1×1卷积的，因此细看NIN的caffe实现，就是在每个传统卷积层后面接了两个cccp层（其实就是接了两个1×1的卷积层）。
2. 进行降维和升维引起人们重视的（可能）是在GoogLeNet里。对于每一个Inception模块（如下图），原始模块是左图，右图中是加入了1×1卷积进行降维的。虽然左图的卷积核都比较小，但是当输入和输出的通道数很大时，乘起来也会使得卷积核参数变的很大，而右图加入1×1卷积后可以降低输入的通道数，卷积核参数、运算复杂度也就跟着降下来了。以GoogLeNet的3a模块为例，输入的feature map是28×28×192，3a模块中1×1卷积通道为64，3×3卷积通道为128,5×5卷积通道为32，如果是左图结构，那么卷积核参数为1×1×192×64+3×3×192×128+5×5×192×32，而右图对3×3和5×5卷积层前分别加入了通道数为96和16的1×1卷积层，这样卷积核参数就变成了1×1×192×64+（1×1×192×96+3×3×96×128）+（1×1×192×16+5×5×16×32），参数大约减少到原来的三分之一。同时在并行pooling层后面加入1×1卷积层后也可以降低输出的feature map数量，左图pooling后feature map是不变的，再加卷积层得到的feature map，会使输出的feature map扩大到416，如果每个模块都这样，网络的输出会越来越大。而右图在pooling后面加了通道为32的1×1卷积，使得输出的feature map数降到了256。GoogLeNet利用1×1的卷积降维后，得到了更为紧凑的网络结构，虽然总共有22层，但是参数数量却只是8层的AlexNet的十二分之一（当然也有很大一部分原因是去掉了全连接层）。

最近大热的MSRA的ResNet同样也利用了1×1卷积，并且是在3×3卷积层的前后都使用了，不仅进行了降维，还进行了升维，使得卷积层的输入和输出的通道数都减小，参数数量进一步减少，如下图的结构。（不然真不敢想象152层的网络要怎么跑起来TAT）

[1]. https://gist.github.com/mavenlin/d802a5849de39225bcc6
[2]. http://www.caffecn.cn/?/question/136