VGG 论文研读

VERY DEEP CONVOLUTIONAL NETWORKS FOR LARGE-SCALE IMAGE RECOGNITION

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摘要
研究主要贡献是通过非常小的3x3卷积核的神经网络架构全面评估了增加深度对网络的影响，结果表明16-19层的网络可以使现有设置的网络性能得到显著提高

引言
为得到更好的准确率，在本文中，研究着眼于卷积神经网络中的深度问题。为此，固定了架构中的其他参数，并通过添加卷积层稳定地增加网络深度，在每层都使用非常小的3x3卷积核

ConvNet配置
为了公平衡量增加卷积深度对网络的影响，所有卷积层的设置均使用与Ciresan（2011）和Krizhevsky（2012）相同的设计原则

架构
在整个训练中，卷积神经网络的输入为固定的224x224的RGB图片。唯一的预处理是对每个像素减去ImageNet训练集中RGB的平均值。图片通过一系列3x3卷积核（是用来获取上下左右及中心的最小尺寸）的卷积层。在一种配置中，也使用1x1的卷积核，这可以看做是输入通道的线性变换（后面接一个非线性变换）。卷积滑动步长固定为1；卷积层的空间填充模式为保留原空间分辨率，例如3x3的卷积层，padding为1。空间池化包含5个最大池化层，接在部分卷积层后面（不是所有卷积层）。最大池化层使用2x2的窗口，滑动步长为2。在一系列卷积层（不同架构有不同深度）后为3个全连接层（Fully-Connected）：前两个每个含有4096个通道，第三个用来给ILSVRC进行分类，因此有1000个通道（1000个类）。最后一层使用softmax。全连接层的设置与所有网络一致。所有隐藏层都使用ReLU非线性激活函数
架构设置

参数数量

讨论
该研究中在整个网络使用3x3的卷积核，与每个像素值进行卷积（步长为1）。很明显，两个3x3卷积层（中间没有池化层）相当于5x5的接受域；三个这样的层相当于7x7的接受域
使用更小的卷积核的好处

1. 包含三个非线性修正层而非单一层，这使决策函数更具有区分性
   
2. 减少了参数数量

1x1卷积层的加入是一种为决策增加非线性因素的方式，不影响卷积层接受域。尽管1x1的卷积实质上是相同空间维度的线性投影（输入和输出通道相同），但是修正函数引入了非线性因素

训练
通过用包含动量的小批量梯度下降（基于反向传播）做多项式逻辑回归的优化器来对模型进行训练。批次大小为256，动量为0.9，通过权值衰减（L2惩罚因子设置为5*10^-4）和对前两个全连接层进行dropout（比率0.5）实现正则化。学习率初始化为0.01，当验证集准确率不提升时以10倍速率衰减（除以10）。总的来说，学习率会衰减3次，然后训练次数为370K（epoch=74）
此处，与一些之前的网络相比，虽然网络参数更多，深度更深，但是只需要更少的epoch次数就达到了收敛，原因有

1. 深度及更小的滤波器数量隐式增强了正则化
   
2. 某些层执行了预初始化

网络权重的初始化很重要，由于深度网络梯度下降的不稳定性，不好的初始化会阻碍学习。为了规避这个问题，从训练网络A开始，它足够浅，能用随机初始化。然后，当训练更深网络结构时，用网络A的权重初始化前四个卷积层和后三个全连接层（中间层随机）

为了得到固定的224x224的RGB输入图片，随机地从经过尺寸缩放的训练集图片中进行裁剪（每张图的每次SGD迭代时裁剪一次）。为了进一步对训练集数据进行增强，被裁剪图片将进行随机水平翻转及RGB颜色转换

考虑使用两种方式来设置训练尺寸S

1. 固定S，针对单尺寸图片的训练。在实验中，评估了两种固定尺寸的训练模型：S=256（在之前研究中广泛使用）和S=384。给一个卷积神经网络，首先用S=256训练。为了加速S=384的训练，使用在S=256上的预训练权重来初始化权重，并且使用较小的初始学习率0.001
   
2. 使用多尺寸图像训练，即每个训练图片的尺寸是[Smin，Smax]之间的随机数（这里使用Smin=256, Smax=512）。由于图像中的对象可能大小不一，所以训练中采用这种方式是有利的

结论
本研究评估了深度卷积网络（到19层）在大规模图片分类中的应用。结果表明，深度有益于提高分类的正确率

总结

1. 使用堆叠3*3卷积核来取代5*5和7*7\的卷积核

   堆叠小的卷积核可以获得和大卷积核相同大小的视野，但是只使用了更少的参数，使得计算量变得更小，同时拥有更多的非线性变换，增加了CNN对特征的学习能力

2. 引入1*1的卷积核

   在不影响输入输出维度的情况下，引入非线性变换，增强了网络的表达能力

3. 训练时，先训练级别简单（层数较浅）的VGGNet的A级网络，然后使用A网络的权重来初始化后面的复杂模型，加快训练的收敛速度
   

4. 采用了Multi-Scale的方法来训练和预测

   可以增加训练的数据量，防止模型过拟合，提升预测准确率