Google Inception Net论文细读

Going deeper with convolutions

GoogleNet首次出现在ILSVRC 2014比赛中（和VGG同年），获得了当时比赛的第一名。使用了Inception的结构，当时比赛的版本叫做Inception V1。inception结构现在已经更新了4个版本。Going deeper with convolutions这篇论文就是指的Inception V1版本。

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一. Abstract

abstract

1. 该深度网络的代号为“inception”，在ImageNet大规模视觉识别挑战赛2014上，在分类和检测上都获得了好的结果。
2. 控制了计算量和参数量的同时，获得了很好的分类性能。500万的参数量只有AlexNet的1/12（6000万）。

Inception V1(或者说深度网络)为什么以降低参数量为目的？

参数越多，计算压力更大，需要的计算资源越多。
参数越多，模型越大，越容易过拟合。（鼓励简单模型）
参数越多，模型越大，就需要更多的数据来学习，但是高质量的训练数据很宝贵。

Inception V1如何降低参数量的？

用全局平均池化层代替了全连接（VGG中全连接层的参数占据了90%的参数量）
大量1×1的卷积核的使用

3. Inception Net整体结构受Hebbian原理的启发，并且充满了multi-scale的思想。

二. Motivation and High Level Considerations

Motivation and High Level Considerations

Inception Net设计的思考是什么？(好的深度网络有哪些设计原则)

逐层构造网络：如果数据集的概率分布能够被一个神经网络所表达，那么构造这个网络的最佳方法是逐层构筑网络，即将上一层高度相关的节点连接在一起。几乎所有效果好的深度网络都具有这一点，不管AlexNet VGG堆叠多个卷积，googleNet堆叠多个inception模块，还是ResNet堆叠多个resblock。
稀疏的结构：人脑的神经元连接就是稀疏的，因此大型神经网络的合理连接方式也应该是稀疏的。稀疏的结构对于大型神经网络至关重要，可以减轻计算量并减少过拟合。卷积操作（局部连接，权值共享）本身就是一种稀疏的结构，相比于全连接网络结构是很稀疏的。
符合Hebbian原理: Cells that fire together, wire together. 一起发射的神经元会连在一起。相关性高的节点应该被连接而在一起。

inception中 1×1的卷积恰好可以融合三者。我们一层可能会有多个卷积核，在同一个位置但在不同通道的卷积核输出结果相关性极高。一个1×1的卷积核可以很自然的把这些相关性很高，在同一个空间位置，但不同通道的特征结合起来。而其它尺寸的卷积核（3×3，5×5）可以保证特征的多样性，因此也可以适量使用。于是，这就完成了inception module下图的设计初衷：4个分支：

inception module

New Version比Old version是如何减少参数量的？

1×1的卷积核和正常的滤波器完全是一样的，只不过它不再感受一个局部区域，不考虑像素与像素之间的关系。1×1的卷积本身就是不同feature channel的线性叠加。1×1的卷积最早出现在Network in Network这篇文章中，在Google的inception结构中也采用了大量1×1的卷积。
NIN论文中解释1×1的卷积实现了多个feature map的结合，从而整合了不同通道间的信息。（个人认为这个作用并不是特点，因为其它大小的卷积核也可以实现）
1×1的卷积可以实现通道数量的升维和降维。并且是低成本的特征变换（计算量比3×3小很多）。是一个性价比很高的聚合操作。怎么理解1×1是性价比很高的升降通道数的操作呢？
（以google inception为例）

原始

新

原始结构：
参数：(1×1×192×64) + (3×3×192×128) + (5×5×192×32) = 153600
最终输出的feature map：64+128+32+192 = 416

加入不同channel的1×1卷积后：
参数：1×1×192×64+（1×1×192×96+3×3×96×128）+（1×1×192×16+5×5×16×32）=15872
最终输出的feature map： 64+128+32+32=256

所以加入1×1的卷积后，在降低大量运算的前提下，降低了维度。
降低维度也是inception module一个非常明智的举措。

三. GoogleNet

在inception module中，通常1×1的卷积比例（输出通道占比）最高，3×3和5×5的卷积稍低。
在整个网络中，会有多个堆叠的inception module，希望靠后的inception module可以捕捉更高阶的抽象特征，因此靠后的inception module中，大的卷积应该占比变多。

google net

GoogleNet有22层深，比同年的VGG19还深。包含了9个inception module，下面是具体的结构。我试图将表格和结构图结合起来，解释整个的网络结构。

googlenet

DepthConcat：聚合操作，在输出通道这个维度上聚合（一个inception module每个分支通道数可能不一样，但是feature map大小应该是一样的。strides=1，padding=same）