GoogLe图像分类模型 Inception-v2，Inception-v3 论文笔记

GoogLe图像分类模型 Inception-v2，Inception-v3 论文笔记

标题：Rethinking the Inception Architecture for Computer Vision
作者：Christian Szegedy，Vincent Vanhoucke， etc.
下载地址：https://arxiv.org/abs/1512.00567

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1 简介

• 自2012年Alexnet提出以来，图像分类、目标检测等一系列领域都被卷积神经网络CNN统治着。接下来的时间里，人们不断设计新的深度学习网络模型来获得更好的训练效果。一般而言，许多网络结构的改进（例如从VGG到RESNET可以给很多不同的计算机视觉领域带来进一步性能的提高。
• 这些CNN模型都有一个通病：计算量大。最早的AlexNet含有60M个参数，之后的VGGNet参数大致是AlexNet的3倍之多，而14年GoogLe提出的GoogleNet仅有5M个参数，效果和AlexNet不相上下。虽然有一些计算技巧可以减少计算量，但是在无形中会增加模型的复杂度。参数少的模型在一些超大数据量或内存受限的场景下具有很大优势。
• 14年GoogLe提出的GoogleNet也叫Inception，设计的目的就是为了减少计算参数和内存使用，但其论文does not provide a clear description about the contributing factors that lead to the various design decisions of the GoogLeNet architecture，于是很难将其用到一些新的场景上。本篇论文，就是要对Inception结构进行改进，已获得更好的分类效果。

2 一些设计准则

• 本小节介绍了四个基于大量实验得出的设计经验，后面的模型多少也有体现出这些准则，但是这些并非在所有场景下都适用：
  
  • 在网络的前面部分，避免表示瓶颈。网络中的特征图尺寸虽然越来越小，但是一开始不能将尺寸压缩得太过。特征的维度（通道）只能提供图像信息的简单估计，很多结构关联信息都体现在特征的尺寸上。
  • 高维度特征在网络局部更容易处理。增加维度（通道数）能让网络生成更多解耦的信息，利于训练。
  • 在低维度时进行空间聚合，可减少表达的损失。
  • 权衡网络的宽度和深度。宽度和深度可能分别指的是每个卷积层滤波器数量和网络总深度（Optimal performance of the network can be reached by balancing the number of filters per stage and the depth of the network. ）。虽然二者同时增加最能提高网络性能，但需要注意计算资源的消耗。

3 卷积的因式分解

• GoogleNet带来的性能提升很大程度上要归功于“降维”，也就是卷积分解的一种。考虑到网络邻近的激活单元高度相关，因此聚合之前进行降维可以得到类似于局部特征的东西。接下来主要讨论其他的卷积分解方法。既然Inception网络是全卷积，卷积计算变少也就意味着计算量变小，这些多出来的计算资源可以来增加filter-bank的尺寸大小。

卷积因式分解成小的卷积

• 卷积核大，计算量也是成平方地增大。假设有一个5*5的卷积核，我们可以Figure1将其分成两次3*3卷积，这样输出的尺寸就一样了。虽然5*5的卷积可以捕捉到更多的邻近关联信息，但两个3*3组合起来，能观察到的“视野”就和5*5的一样了。分解之后，训练的参数从 5∗5=25 变成了 2∗3∗3=18 。
  
• 进行分解后，原来的Inception结构也相应发生改变（从Figure4变到Figure5）。
  
• 还有两个问题，一个是就是这样分解是否会导致表达损失，还有一个是是否要在两个卷积之间添加非线性计算。通过实验表明，因式分解没有带来太大问题，而在卷积之间添加非线性效果也更好。

卷积因式分解为空间上不对称的卷积

• 其实，以上的卷积分解还不是最优策略，3*3卷积还可以进一步分解为1*3和3*1，两个卷积分别捕捉不同方向的信息，参数只有之前的6/9。其实，这个可以推广到n*n卷积的情况，n*n卷积因式分解为1*n和n*1。这个方法在网络前面部分似乎表现欠佳，但在中间层起到很好的效果。
  

4 辅助分类器

• 辅助分类器这个概念在GoogleNet中已经用到了，就是把一些网络中间层提前拿出类进行回归分类，主要目的是为了更有效地回传梯度。作者发现，辅助分类器在其中扮演者regularizer的角色，因为辅助分类器使用了batch normalization后，效果会更好。

5 降低特征图尺寸

• 假设有一个 d∗d∗k 的特征图，为了转换成 d/2∗d/2∗2k 大小，可以先用1*1卷积变成 d∗d∗2k ，再进行池化，这样的计算量很大。而先池化再增加通道则会出现 representational bottlenecks 的问题。
  
• 为了减少计算量且保留特征表达，作者提出一种双线结构，将分别进行池化和步长为2的卷积操作，最后在合并起来（如下图）。
  

6 Inception-v2模型

• 上面介绍了这么多改进方法，现在终于可以组合成一个模型了，模型结构如Table 1所示。统计下来，网络有42层，但参数仅有GoogleNet的2.5倍，还是比VGG少多了。
  

7 通过平滑标签正则化模型

• 此处没细看，以后补上

8 训练方法

• batch大小为32，周期100，框架是自家的Tensorflow，早期优化器是momentum，衰减值0.9。后期为了最好的效果，使用了RMSdrop，其中 decay=0.9，ϵ=0.1 。学习率为0.045，每两个周期指数衰减0.94。

9 低分辨率输入的表现

• 一些目标识别方面，需要进行分类的box分辨率可能很小，网络需要“高分辨率”的感受野来“hallucinate”其中的细节。作者用了79*79,151*151,299*299三种不同大小的感受野，结论是高分辨率的网络（299*299）虽然花更长时间来训练，但最终准确度要更高。

10 实验结果

• 结果如下所示。其中，Inception-v2的那些结果中，下面的已经包含了上面采用的方法（比如Inception-v2 Label Smoothing使用了上面的RMSdrop，而倒二行的Inception-v2 Factorized 7 × 7，已经使用了上面的RMSProp、Label Smoothing，以此类推）。最后一行的模型被称作Inception-v3。