GoogLeNet网络结构学习

1.背景介绍

　　GoogLeNet, 一个22层的深度网络，2014年ILSVRC挑战赛冠军，将Top5 的错误率降低到6.67%。论文地址：Going deeper with convolutions。
　　
　　据说起名为“GoogLeNet”而非“GoogleNet”,是为了向早期的LeNet致敬。

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2.网络结构

　　GoogLeNet网络的整体结构如下：

GoogLeNet清晰版本

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3.主要创新点

一般来说，提升网络性能最直接的办法就是增加网络深度和宽度，但是这样会带来一些缺陷：

• 参数太多，容易过拟合
• 网络越大计算复杂度越大，难以应用
• 网络越深，梯度越往后越容易消失

于是GoogLeNet针对这些问题给出了两个解决方案：

• 深度方面：层数更深，文章采用了22层，为了避免上述提到的梯度消失问题，GoogLeNet巧妙的在不同深度处增加了两个loss来保证梯度回传消失的现象。

• 宽度方面：采用了Inception结构，这是一种网中网（Network In Network）的结构，即原来的结点也是一个网络。
  

不同size的卷积核的目的

• 采用不同大小的卷积核意味着不同大小的感受野，最后拼接意味着不同尺度特征的融合；

• 之所以卷积核大小采用1、3和5，主要是为了方便对齐。设定卷积步长stride=1之后，只要分别设定pad=0、1、2，那么卷积之后便可以得到相同维度的特征，然后这些特征就可以直接拼接在一起了；

但是，使用3x3,5x5的卷积核参数大小仍然过于巨大

• 为此为了降维改进如下：

1x1卷积层

• 对特征降维，一方面可以解决计算瓶颈，同时限制网络的参数大小，可以将网络做的更「宽」和更「深」。如何降维，本文后面解释。

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4.维度计算

注：#3×3 reduce，#5x5 reduce等表示在这之前使用了 1×1 的卷积核降维之后输出宽度。

第一层 convolution层

• 输入(data)：224×224×3
• 卷积核size：7×7，滑动步长（stride）为 2，padding为 3
• 输出维度：112×112×64，计算方式：(224 + 2×3 − 7 + 1) / 2 = 112 ,kernel size = 64

第 二 层 max pool层

• 输入维度：112×112×64
• pooling size：3×3，滑动步长（stride）为 2，padding为 1
• 输出维度：56×56×64，计算方式：(112 + 2×1 − 3 +1 ) / 2 = 56

第三层 convolution层

• 输入维度：56x56x64
• 卷积核size：3x3,滑动步长（stride）为1，padding为1
• 输出维度：56x56x192,计算方式：（56 + 2x1 - 3 + 1）/ 1 = 56,kernel size = 192

第四层 max pool层

• 输入维度：56x56x192
• pooling size: 3x3,滑动步长（stride）为2，padding为1
• 输出维度：28x28x192,计算方式：（56 + 2x1 - 3 + 1）/ 2 = 28

第五层 Inception层

分为4条通道，每条通道的输入均为第四层的输出（28 x 28 x 192）:

• 通道1：1×1 卷积层，64个卷积核，输出大小为 28×28×64；

• 通道2：1×1 卷积层，96个卷积核，输出大小为 28×28×96；作为输入进入 3×3 卷积层，输出大小为 28×28×128；

• 通道3：1×1 卷积层，32个卷积核，输出大小为 28×28×32；作为输入进入 3×3 卷积层，输出大小为 28×28×32；

• 通道4：3×3 的 pooling 层，输出大小为28×28×192；作为输入进入 1x1卷积层，输出大小为28×28×32；

Inception层的输出为这四个通道的输出和：64 + 128 + 32 + 32 = 256

• 

这就是GoogLeNet增加宽度的方式

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如何降维，以第五层第二个通道为例：

• 如果没有那个 1×1卷积层，参数个数为 3×3×192×128=221,184 个；

• 如果加了一个 1×1卷积层，参数个数为 1×1×192×96+3×3×96×128=129,024 个；

由此可以看出，这一通道节约了大于一半参数，其他的类似。