【论文笔记】GoogLeNet系列

【深度学习】总目录

Inception技术演进

Inception-V1: 2014年9月，《Going Deeper with Convolutions》提出了Inception模块，在增加网络深度和宽度的同时减少参数（top-5错误率6.67%）。

BN-Inception: 2015年2月，《Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate》提出的Inception V2（top-5错误率4.8%）。

Inception-V3: 2015年12月，《Rethinking the Inception Architecture for Computer Vision》提出的Inception V3（top-5错误率3.5%）

Inception-V4，Inception-ResNet: 2016年2月，《Inception-v4, Inception-ResNet and the Impact of Residual Connections on Learning》提出的Inception V4（top-5错误率3.08%）。

Xception: 2016年10月《Xception: Deep Learning with Depthwise Separable Convolutions》借鉴depth-wise convolution改进Inception V3。

1 GoogLeNet (Incepetion V1)

1.1 Motivation

　　提高深度神经网络性能的最直接的方法是增加size，包括depth（增加层数）和width（每层的单元数量），这是一个简单安全的方法，但是有两大缺点：（1）容易过拟合（2）增加计算量。解决这两个问题方法是用稀疏连接取代密集连接。但是计算机在计算非统一的稀疏数据结构时力不从心，需要更复杂的工程和计算基础设施。早些的时候，为了打破网络对称性和提高学习能力，传统的网络都使用了随机稀疏连接。但到了AlexNet的时代重新启用了全连接层，目的是为了实现更好的并行运算加速。

如何既保持网络结构的稀疏性，又利用密集矩阵的高计算性能？论文提出了名为Inception的模块。

1.2 Inception module

Inception的主要思想是用密集模块去近似出局部最优稀疏结构。原始版本（naive version）的思考及其对应改进主要有四点：

（1）小的卷积核意味着小的感受野，由1×1卷积提取局部信息，由大卷积提取大范围空间信息。

（2）为了方便堆叠，卷积核大小采用1、3和5。设定卷积步长stride=1之后，分别设定pad=0、1、2，卷积之后便可以得到相同宽度的特征。

（3）池化层在很多地方被证明很有用，所以在Inception里增加池化层。

（4）越靠前面的层越提取局部信息，越靠后面的层越提取大范围空间信息，在空间上重复Inception时3×3和5×5的卷积核比例要随模型的加深而提高。

naive version的Inception模块（上图a）的结构会导致通道数越来越多，计算量爆炸（max pooling不改变通道数，再将卷积后的通道数叠加起来）。

解决这个问题的方法是降维，但是太过密集压缩的嵌入向量不便于模型处理，所以只在3×3和5×5的卷积之前应用1×1卷积降维。此外，在开始的时候使用传统卷积，在高层使用Inception模块，在内存上似乎更加高效。

总而言之，Inception模块

• 可以增加模型宽度和深度，堆叠时不会导致无法控制的计算复杂度。
• 视觉信息可以在不同尺度上进行处理，然后进行聚合，以便下一阶段可以同时从不同尺度上提取特征。

1.3 GoogLeNet 网络架构

关于上图：

• 所有的卷积，包括Inception模块，用了ReLu激活。
• 输入是224×224的RGB图像减去均值
• “#3×3 reduce” 和 “#5×5 reduce” 表示在3×3和5×5卷积之前做了1×1的卷积减少维度。
• pool proj列表示3×3池化后的1×1卷积核的个数。·所有的1×1卷积降维也使用ReLu激活。
• 在分类之前做平均池化（代替flatten），提高了top-1精确度0.6%，也便于fine-tune迁移学习。
• dropout也很关键。
• 在4a和4d模块后面加辅助分类器，在训练阶段的损失函数L=L_主干+0.3×L_辅1+0.3×L_辅2，在测试阶段去掉辅助分类器。
• 辅助分类器的组成（1）AvgPool 5×5 S=3  （2） 128个Conv 1×1 S=1 （3）fc （4）dropout 70%（5）softmax

2 BN-Inception

以GoogLeNet Incepetion V1为基础，进行了改进：（1）引入批次归一化（Batch Normalization）（2）Inception模块中的5×5卷积核改为2个3×3卷积核

关于上图：

• 增加BN层，卷积=>BN=>ReLU
• 在Inception模块中，2个3×3卷积核代替5×5卷积核，有时最大池化有时平均池化。
• Pool + proj是说，先做池化再用proj个1×1的卷积降维。

3 Incepetion V3

　　GoogLeNet使用5million参数，是AlexNet的1/12，VGGNet是AlexNet的3倍。但是（1）单纯地堆叠Inception模块，会导致效果急剧变差（2）对GoogLeNet架构设计的贡献因子也没有清晰的描述，导致Inception模块在新使用场景下难以保持高效性。因此在这篇文章中，我们会介绍一些实用的通用准则和优化想法，以高效的方法扩大卷积网络。这些并不限制于Inception风格的网络，但你会发现，Inception的结构非常灵活，足以自然地实现这些原则。这得益于降维和并行结构使得结构改变造成的影响减小。

3.1 通用设计原则

原则1：避免过度降维或收缩特征，尤其是在网络浅层。feature map的长宽大小应该随网络的加深慢慢减小。

原则2：特征越多，收敛越快。相互独立的特征越多，输入的信息分解的越彻底。

原则3：空间大卷积核之前可以用1×1卷积降维，信息不会损失。相邻的两个单元的感受野也是高度相关的，在做完1×1卷积后仍然是高度相关的。

原则4：均衡网络的宽度和深度，两者同时提升，既可提高性能，也能提高计算效率。

3.2 优化想法

3.2.1 分解大卷积

• 分解为小卷积

大的卷积核会导致高昂的计算量。比如在卷积核个数和feature map尺寸相同的情况下，5×5卷积的计算量是3×3卷积的25/9=2.78倍。我们利用两个3×3卷积代替5×5卷积，感受野都是5×5，计算量为9+9/25。这种替换会导致网络的表现能力变差吗？要在第一个3×3之后使用非线性激活吗？实验发现在分解各个阶段用ReLu激活效果更好。我们将其归因于网络可以学习到的增强的变化空间，尤其是如果我们batchnormalize输出 。

• 空间分解为非对称卷积

是不是可以分解为更小的，比如2×2卷积。结果表明，n×1的非对称卷积的效果往往比2×2更好。比如，用3×1的卷积后接一个1×3的卷积，和用3×3的卷积是一样的感受野。计算量变为原来的（3+3）/9=67%，节约了33%。相比之下，将3×3分解为两个2×2卷积才节约11%的计算量。更进一步地说，用1×n和n×1的卷积替代n×n的卷积，计算量变为1/n。不对称卷积分解在浅层效果不好，在中等网格尺寸（12-20）时效果很好。

3.2.2 使用辅助分类器

　　辅助分类器的最初目的是将有用的梯度推到较低的层，使其立即有用，以及在非常深的网络中解决消失梯度问题。然而我们发现，辅助分类器在训练初期并没有提高收敛性，在训练快结束的时候，有辅助分支网络的精确度超过了没有辅助分支的网络。同时，将第一个辅助分类器移除，网络并没有受到影响。这意味着“这些分支有助于进化低级特征”的假设很可能是错误的。取而代之，我们认为辅助分类器起到了正则化的作用，同时我们揣测BN也有正则化作用。

3.2.3 高效下采样技巧

　　在最大池化或者平均池化之前会先增加维度。比如d×d×k要变为d/2×d/2×2k，有两种方法：（1）先用k=m，s=1的卷积将维度变为2k，然后池化，计算量为2d²k²m²。（2）用2k个步长为2的卷积核，计算量为2(d/2)²k²m²，会丢失很多特征，违背了原则1。

如上图所示，左边先池化再升维，丢失信息太多，违反原则1；右图，先升维再池化，计算量太大，都有较大缺陷。

左右两个图表示相同操作：Inception模块采用并行结构，在扩充通道数的同时下采样，保证了计算效率，又避免了特征表示瓶颈。

3.2.4 通过label smoothing进行模型正则化

例如：三分类问题

正确的答案为（1，0，0） 独热one-hot编码

softmax预测为（0.5，0.4，0.1）

此时的交叉熵为L=-（1×log0.5 + 0×log0.4 + 0×log0.1）=0.3

当softmax预测为（0.8，0.1，0.1）

此时的交叉熵为L=-（1×log0.8 + 0×log0.1 + 0×log0.1）=0.1

也就是说，如果用独热one-hot编码，最小化交叉熵损失函数等效于最大化正确类别的对数似然函数：L=Σq_ilog(p_i) = log(p_y) = -zy + log(Σe^zi)

此时，zy就会一直增大到正无穷，也就是说独热编码鼓励模型过于自信，不计一切增大某一类的logit，也会导致过拟合，模型死记硬背无法泛化。

我们可以用label smooth来解决这个问题：

比如：

原始的独热标签为（1，0，0），取ε=0.1，此时标签为（0.9，0.05，0.05）

此时的交叉熵为L=-（0.9×log0.8 + 0.05×log0.1 + 0.05×log0.1）

有点像知识蒸馏，比如识别猫，老虎像猫，可乐不像猫，这些相关性的知识会被保留下来。

3.3 Inception-v3网络架构

关于上图：

• 将V1的7×7的卷积分解为3个3×3的卷积
• Inception部分，前面三个是【将5×5卷积分为两个3×3卷积的】Inception模块，然后是5个【将5×5卷积分为两个3×3，再将所有3×3卷积分解为1×3和3×1不对称卷积的】Inception模块，最后两个Inception模块如右图所示。
• 写padded的卷积进行了填充，没写的都没有填充，包括Inception里面。
• 尽管网络达到了42层，计算量是v1的2.5倍，也仍然比VGG高效。
• 输入的感受野小于299的话，可以在前两层减小步长，或者移除第一个池化层。

4 Incepetion V4

4.1 Motivation

2015年，何凯明引入残差连接，大大提升了图像识别和目标检测的效果，作者认为，残差连接对于训练非常深的卷积模型是内在必要的。但本论文发现，即使不用残差连接，训练很深的网络也不会特别困难（Incepetion V4），但是使用残差连接可以大大提升收敛的速度。给出了3个网络架构的细节：

• Inception-ResNet-v1：一种混合的Inception版本，其计算成本与Inception-v3类似。
• Inception-ResNet-v2：成本更高的混合版Inception，识别性能显著提高。
• Inception-v4：一种没有残差连接的纯Inception变体，其识别性能与Inception-ResNet-v2大致相同。

Pure Incepetion

Inception-v4：Input (299x299x3)  => Stem  => 4 x Inception-A => Reduction-A  => 7 x Inception-B => Reduction-B => 3 x Inception-C => Avarage Pooling => Dropout (keep 0.8) => Softmax

Block35（Inception-A）                        Block17（Inception-B）                          Block8（Inception-C）

　　　　　　　　　　Reduction-A      　　　　　　　　             Reduction-B

Residual Incepetion

Inception-ResNet-v1

Inception-ResNet-v2

• Incepetion之后使用不带激活函数的1×1卷积升维扩展，以匹配输入维度。
• 只在传统层后面使用bn，在相加层之后不做bn减少计算量。
• Scaling of the Residuals:如果卷积核的个数超过1000个，输出会变得不稳定，只训练一会，平均池化前的有些神经元会输出0。使用很低的学习率和增加bn层都不能解决这个问题。论文提出在加法融合之前对残差分支的结果乘以幅度缩小系数。

这篇就不细说了，每个模块很好搭，但是在组装的时候维度对不上。源码也和论文上不一样，源码的Inception-ResNet-v2的stem用的是Figure14的结构（论文上Fig14是v1的，Fig3是v2的），因此stem的输出为35×35×256，三个Inception_resnet模块的concat后利用1×1卷积升维，卷积的个数分别为320，1088和2080，和论文上也不一样。还有三个Inception_resnet模块的重复个数，原论文是【5，10，5】，源码是【10，17，9】。网上找不到解释，也或许是我理解错了。

5 Xcepetion

5.1 Xception模块 vs 深度可分离卷积

普通的卷积核处理长、宽以及跨通道的信息，一个kernel处理所有的通道。而深度可分离卷积，一个kernel处理一个通道。Inception模块是普通卷积和深度可分离卷积的中间形态，将通道划分为3或4部分再分别利用3×3或5×5卷积（如下图中），将空间信息和跨通道信息解耦。

 Xception模块和深度可分离卷积的两个微小不同：

（1）深度可分离卷积先进行逐通道的空间卷积，然后是1×1的卷积，而Inception模块是先进行1×1卷积

（2）Inception模块所有操作后都接ReLU，而深度可分离卷积一般没有非线性层

作者认为第一个差异并不重要，因为这些操作往往被用来堆叠。第二个差异，在depthwise和pointwise之间不要用非线性激活比较好。

5.2 Xception 网络架构

• 一共有36个卷积层，分为14个模块，除了第一个和最后一个，其余所有模块都用线性残差连接。
• depthwise和pointwise之间不用非线性激活
• 扩大数据集本身也是一种正则化，所以没有用dropout
• V3提到辅助分类器没什么用，所以Xception没有用辅助分类器

5.3 pytorch代码实现

import torch
from torch import nn
from utils.BasicModule import BasicModule

class Xception(BasicModule):
    def __init__(self, num_classes):
        super(Xception, self).__init__()
        self.model_name = "Xception"
        self.conv1 = BasicConv2d(in_channels=1, out_channels=32, kernel_size=3, stride=2)
        self.conv2 = BasicConv2d(in_channels=32, out_channels=64, kernel_size=3)
        # ---------------------------------------------------------------------------------
        self.sepconv1 = SeparableConv(in_channels=64, out_channels=128, kernel_size=3)
        self.sepconv2 = SeparableConv(in_channels=128, out_channels=128, kernel_size=3)
        self.maxpool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
        self.conv_id1 = nn.Conv2d(in_channels=64, out_channels=128, kernel_size=1, stride=2)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(num_features=128)
        # ---------------------------------------------------------------------------------
        self.sepconv3 = SeparableConv(in_channels=128, out_channels=256, kernel_size=3)
        self.sepconv4 = SeparableConv(in_channels=256, out_channels=256, kernel_size=3)
        self.maxpool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
        self.conv_id2 = nn.Conv2d(in_channels=128, out_channels=256, kernel_size=1, stride=2)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(num_features=256)
        # ---------------------------------------------------------------------------------
        self.sepconv5 = SeparableConv(in_channels=256, out_channels=728, kernel_size=3)
        self.sepconv6 = SeparableConv(in_channels=728, out_channels=728, kernel_size=3)
        self.maxpool3 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
        self.conv_id3 = nn.Conv2d(in_channels=256, out_channels=728, kernel_size=1, stride=2)
        self.bn3 = nn.BatchNorm2d(num_features=728)
        #-----------------------------------------------------------------------------------
        self.Middleflow = Middleflow()
        #-----------------------------------------------------------------------------------
        self.sepconv7 = SeparableConv(in_channels=728, out_channels=728, kernel_size=3)
        self.sepconv8 = SeparableConv(in_channels=728, out_channels=1024, kernel_size=3)
        self.maxpool4 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
        self.conv_id4 = nn.Conv2d(in_channels=728, out_channels=1024, kernel_size=1, stride=2)
        self.bn4 = nn.BatchNorm2d(num_features=1024)
        #------------------------------------------------------------------------------------
        self.sepconv9 = SeparableConv(in_channels=1024, out_channels=1536, kernel_size=3)
        self.sepconv10 = SeparableConv(in_channels=1536, out_channels=2048, kernel_size=3)
        self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((1,1))
        self.dropout = nn.Dropout(0.5)
        self.fc = nn.Linear(2048, num_classes)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.softmax = nn.Softmax()
    def forward(self, x):
        x = self.relu(self.conv1(x))
        x = self.relu(self.conv2(x))
        identity1 = self.bn1(self.conv_id1(x))
        x = self.relu(self.sepconv1(x))
        x = self.maxpool1(self.sepconv2(x))
        x = x+identity1
        # 1, 128, 74, 74
        identity2 = self.bn2(self.conv_id2(x))
        x = self.sepconv3(self.relu(x))
        x = self.sepconv4(self.relu(x))
        x = self.maxpool2(x)
        x = x + identity2
        # 1, 256, 37, 37
        identity3 = self.bn3(self.conv_id3(x))
        x = self.sepconv5(self.relu(x))
        x = self.sepconv6(self.relu(x))
        x = self.maxpool3(x)
        x = x + identity3
        # 1, 728, 19, 19
        x = self.Middleflow(x)
        # 1, 728, 19, 19
        identity4 = self.bn4(self.conv_id4(x))
        x = self.sepconv7(self.relu(x))
        x = self.sepconv8(self.relu(x))
        x = self.maxpool4(x)
        x = x + identity4
        # 1, 1024, 10, 10
        x = self.relu(self.sepconv9(x))
        x = self.relu(self.sepconv10(x))
        x = self.avgpool(x)
        x = torch.flatten(x,1)
        x = self.dropout(x)
        x = self.fc(x)
        x = self.softmax(x)
        return x

class BasicConv2d(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels, **kwargs):
        super(BasicConv2d, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, **kwargs)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(out_channels)

    def forward(self, x):
        x = self.conv(x)
        x = self.bn(x)
        return x

class SeparableConv(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels, kernel_size):
        super(SeparableConv, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels, in_channels, kernel_size, stride=1, padding=1, groups=in_channels)
        self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, 1)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(out_channels)
    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.bn(self.conv2(x))
        return x

class Middleflow(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Middleflow, self).__init__()
        self.sepconv = SeparableConv(in_channels=728, out_channels=728, kernel_size=3)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)

    def forward(self, x):
        identity = x
        for i in range(8):
            for i in range(3):
                x = self.sepconv(self.relu(x))
            x = x + identity
            identity = x

        return identity

# input = torch.randn(1, 3, 224, 224)
# model = Xception()
# output = model(input)
# print(output.shape)

参考文献：

1. GoogLeNet系列解读

2. 【精读AI论文】谷歌Xception深度可分离卷积的极致Inception轻量化网络