深度学习---VggNet

一

1. 简介

VGGNet由牛津大学的视觉几何组（Visual Geometry Group）提出，是ILSVRC-2014中定位任务第一名和分类任务第二名。其突出贡献在于证明使用很小的卷积（3*3），增加网络深度可以有效提升模型的效果，而且VGGNet对其他数据集具有很好的泛化能力。

如今，卷积神经网络已经成为计算机视觉领域的常用工具，所以有很多人尝试改善2012年提出的AlexNet来实现更好的效果。比如，在ILSVRC中-2013中表现最好的ZFNet在第一卷积层使用更小的卷积(receptive window size)和更小的步长(stride)。另一种策略是多尺度地在整张图像上密集训练和测试。VGGNet则强调了卷积神经网络设计中另一个重要方面—深度。

2. 卷积网络配置

为了公平测试深度带来的性能提升，VGGNet所有层的配置都遵循了同样的原则。

2.1 结构

训练时，输入是大小为224*224的RGB图像，*预处理只有在训练集中的每个像素上减去RGB的均值。

图像经过一系列卷积层处理，在卷积层中使用了非常小的感受野(receptive field)：3*3，甚至有的地方使用1*1的卷积,这种1*1的卷积可以被看做是对输入通道(input channel)的线性变换。

卷积步长(stride)设置为1个像素，3*3卷积层的填充（padding）设置为1个像素。池化层采用max-pooling,共有5层，在一部分卷积层后，max-pooling的窗口是2*2，步长是2。

一系列卷积层之后跟着全连接层(fully-connected layers)。前两个全连接层均有4096个通道。第三个全连接层有1000个通道，用来分类。所有网络的全连接层配置相同。

所有隐藏层都使用ReLu。VGGNet不使用局部响应标准化(LRN)，这种标准化并不能在ILSVRC数据集上提升性能，却导致更多的内存消耗和计算时间。

2.2 配置

表一展示了所有的网络配置，这些网络遵循相同设计原则(in 2.1),只是深度不同。 

A网络(11层)有8个卷积层和3个全连接层，E网络(19层)有16个卷积层和3个全连接层。卷积层宽度(通道数)从64到512，每经过一次池化操作扩大一倍。

2.3 讨论

与AlexNet和ZFNet不同，VGGNet在网络中使用很小的卷积。AlexNet和ZFNet在第一个卷积层的卷积分别是11*11 with stride 4和7*7 with stride 2。VGGNet则使用3*3的卷积。

两个连续的3*3的卷积相当于5*5的感受野，三个相当于7*7。使用三个3*3卷积而不是一个7*7的卷积的优势有两点：一，包含三个ReLu层而不是一个，使决策函数更有判别性；二，减少了参数。比如输入输出都是C个通道，使用3*3的3个卷积层需要3（3*3*C*C）=27*C*C,使用7*7的1个卷积层需要7*7*C*C=49C*C。这可看为是对7*7卷积施加一种正则化，使它分解为3个3*3的卷积。

1*1卷积层主要是为了增加决策函数的非线性，而不影响卷积层的感受野。虽然1*1的卷积操作是线性的，但是ReLu增加了非线性。

与他人工作对比：Ciresan et al.(2011)也曾用过小的卷积，但是他的网络没有VGGNet深，而且没有在大规模的ILSVRC数据集上测试。Goodfellow使用深的卷积网络(11层)做街道数字识别，表明增加卷及网络深度可以提高性能。GoogLeNet(ILSVRC-2014分类任务冠军)与VGGNet独立发展起来，同样的是也使用了很深的卷积网络（22层）和小的卷积（5*5,3*3,1*1）。

3. 分类框架

3.1 训练

除了从多尺度的训练图像上采样输入图像外，VGGNet的训练过程与AlexNet类似。

优化方法(optimizer)是含有动量的随机梯度下降SGD+momentum(0.9)。 
批尺寸(batch size)是256. 
正则化(regularization):采用L2正则化，weight decay是5e-4。dropout在前两个全连接层后，p=0.5。

尽管相比于AlexNet网络更深，参数更多，但是我们推测VGGNet在更少的周期内就能收敛，原因有二：一，更大的深度和更小的卷积带来隐式的正则化；二，一些层的预训练。

参数初始化：对于较浅的A网络，参数进行随机初始化，权重w从N(0，0.01)中采样，偏差bias初始化为0。然后，对于较深的网络，先用A网络的参数初始化前四个卷积层和三个全连接层。但是后来发现，不用预训练的参数而直接随机初始化也可以。

为了获得224*224的输入图像，要在每个sgd迭代中对每张重新缩放(rescale)的图像随机裁剪。为了增强数据集，裁剪的图像还要随机水平翻转和RGB色彩偏移。

对训练图像如何缩放暂时不做阐述！！！。。。。。

3.2 测试

测试阶段步骤：1，对输入图像各向同性地重缩放到一个预定义的最小图像边的尺寸Q; 2. 网络密集地应用在重缩放后的测试图像上。也就是说全连接层转化为卷积层（第一个全连接层转化为7*7的卷积层，后两个全连接层转化为1*1的卷积层） ，然后将转化后的全连接层应用在整张图像上。结果就是一个类别分数图(class score map)，其通道数等于类别数量，依赖于图像尺寸，具有不同的空间分辨率。3. 为了获得固定尺寸的类别分数向量(class score vector)，对class score map进行空间平均化处理(sum-pooled)。

3.3 实现

基于C++ Caffe，进行一些重要修改，在单系统多GPU上训练。 
在装有4个NVIDIA Titan Black GPUs的电脑上，训练一个网络需要2-3周。

4. 分类实验

4.1 单一尺度评估

 
通过分析表3结果，得出如下结论。

1. 我们发现使用local response normalization(A-LRN)并不能改善A网络性能。
2. 分类误差随着深度增加而降低。
3. 在训练时采用图像尺度抖动(scale jittering)可以改善图像分类效果。

4.2多尺度评估

 
1. 相对于单一尺度评估，多尺度评估提高了分类精度。 
2. 在训练时采用图像尺度抖动(scale jittering)可以改善图像分类效果。

4.3 多裁剪评估

 
多裁剪(multi-crop)评估比起密集(dense)评估，效果更好。而且两者具有互补作用，结合两种方式，效果更好。

4.4 卷积网络融合

如果结合多个卷积网络的sofamax输出，分类效果会更好。 
在ILSVRC-2014中，我们结合7个网络(表6)，实现测试误差7.3%。之后，结合最好的两个模型(D&E)并使用密集评估(dense evaluation)，测试误差降低到7.0%，而使用密集评估和多裁剪评估相结合，测试误差为6.8%。最好的单一模型验证误差为7.1%。 

4.5 与其他网络对比

 
与ILSVRC-2012和ILSVRC-2013最好结果相比，VGGNet优势很大。与GoogLeNet对比，虽然7个网络集成效果不如GoogLeNet，但是单一网络测试误差好一些，而且只用2个网络集成效果与GoogLeNet的7网络集成差不多。

5.总结

我们的结果再次证明网络深度在计算机视觉问题中的重要性。而且，我们的网络在不同的任务和数据集上有很多好的泛化能力。

参考文献：VERY DEEP CONVOLUTIONAL NETWORKS FOR LARGE-SCALE IMAGE RECOGNITION

二

提出的背景

 提出目的即为了探究在大规模图像识别任务中，卷积网络深度对模型精确度有何影响。 
 这个网络的结构用的都是特别小的3x3的卷积模版（stride：1，padding:1），以及5个2x2的池化层（stride：2），将卷积层的深度提升到了16-19层，并在当年ImageNet挑战中再定位和分类问题上取得地第一第二的好成绩。

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基本思想及其过程

 VGGNet网络配置情况： 
 为了在公平的原则下探究网络深度对模型精确度的影响，所有卷积层有相同的配置，即卷积核大小为3x3，步长为1，填充为1；共有5个最大池化层，大小都为2x2，步长为2；共有三个全连接层，前两层都有4096通道，第三层共1000路及代表1000个标签类别；最后一层为softmax层；所有隐藏层后都带有ReLU非线性激活函数；经过实验证明，AlexNet中提出的局部响应归一化（LRN）对性能提升并没有什么帮助，而且还浪费了内存的计算的损耗。 

 上述图为VGGNet网络框图，从左至右每一列代表着深度增加的不同的模型，从上至下代表模型的深度，其中conv<滤波器大小>-<通道数>，至于为什么用3x3的滤波器尺寸，是因为这是能捕捉到各个方向的最小尺寸了，如ZFNet中所说，由于第一层中往往有大量的高频和低频信息，却没有覆盖到中间的频率信息，且步长过大，容易引起大量的混叠，因此滤波器尺寸和步长要尽量小；这里使用1x1的卷积模版是因为1x1就相当于可以看作是一种对输入通道进行线性变换的操作（增加决策函数的非线性且不会影响到感受野的大小）。

 上面第二个图为各个模型中用到的参数分析图，可以看到随着层数的增加A-E，参数增加的并不是很多，因此也分析出层数的增加可以提升性能的同时，也不会在参数量的计算存储损耗上，有非常多的增加。

 之前的网络都用7x7,11x11等比较大的卷积核，现在全用3x3不会有什么影响吗？ 
 实际上，一个5x5可以用两个3x3来近似代替，一个7x7可以用三个3x3的卷积核来代替，不仅提升了判别函数的识别能力，而且还减少了参数；如3个3x3的卷积核，通道数为C，则参数为3x(3x3xCxC)=27 C2 C2，而一个7x7的卷积核，通道数也为C，则参数为(7x7xCxC)=49 C2 C2。 
 而1x1卷积层的合并是一种增加决策函数的非线性的方式，而且还没有影响到卷积层的感受野。

 训练： 
 训练使用加动量的小批基于反向传播的梯度下降法来优化多项逻辑回归目标。批数量为256，动量为0.9，权值衰减参数为5x 10−4 10−4，在前两个全连接层使用dropout为0.5，学习率为0.01，且当验证集停止提升时以10的倍数衰减，同时，初始化权重取样于高斯分布N（0，0.01），偏置项初始化为0。 
 为了获得初始化的224x224大小的图片，通过在每张图片在每次随机梯度下降SGB时进行一次裁减，为了更进一步的增加训练集，对每张图片进行水平翻转以及进行随机RGB色差调整。 
 初始对原始图片进行裁剪时，原始图片的最小边不宜过小，这样的话，裁剪到224x224的时候，就相当于几乎覆盖了整个图片，这样对原始图片进行不同的随机裁剪得到的图片就基本上没差别，就失去了增加数据集的意义，但同时也不宜过大，这样的话，裁剪到的图片只含有目标的一小部分，也不是很好。 
 针对上述裁剪的问题，提出的两种解决办法： 
(1) 固定最小遍的尺寸为256 
(2) 随机从[256,512]的确定范围内进行抽样，这样原始图片尺寸不一，有利于训练，这个方法叫做尺度抖动scal jittering，有利于训练集增强。 训练时运用大量的裁剪图片有利于提升识别精确率。 
 测试： 
 测试图片的尺寸不一定要与训练图片的尺寸相同，且不需要裁剪。 
 测试的时候，首先将全连接层转换到卷积层，第一个全连接层转换到一个7x7的卷积层，后面两个转换到1x1的卷积层，这不仅让全连接网应用到整个未裁剪的整个原始图像上，而且得到一个类别的得分图，其通道数等于类别数，还有一个决定与输入图片尺寸的可变空间分辨率。为了获得固定尺寸的图片的得分图，运用原始图片的softmax的后验概率以及其水平翻转的平均来获得。 
 下图为各个模型运用在ILSVRC-2012数据集上的结果（测试图片尺寸固定为一个值时）。 

 更直接地看即 

 若设置测试图片的尺寸不一，利用尺度抖动scale jittering的方法取三个值，然后取结果的平均值。 

 可以看到结果稍好于前者测试图片采用单一尺寸的效果。 
 当取训练图片S利用尺度抖动的方法范围为[256;512]，测试图片也利用尺度抖动取256，384，512三个值进行分类结果平均值，然后探究对测试图片进行多裁剪估计的方法，即对三个尺度上每个尺度进行50次裁剪（5x5大小的正常网格，并进行两次翻转）即总共150次裁剪的效果图，如下。 

 可以看到这个效果比之前两个效果更进一步，说明多尺度裁剪也起了一定好的作用。 
 最后将多个模型进行合并进一步得到了更好的效果，并在ILSVRC比赛上拿到了第二的成绩。 

新技术点：  
①LRN层作用不大，还耗时，抛弃。 
②网络越深，效果越好。 
③卷积核用较小的卷积核，比如3*3。 
VGGNet模型虽然比Alexnet模型层数多，每轮训练的时间会比Alexnet长许多，但是因为更深的网络和更小的卷积核带来的隐式正则化结果，需要的收敛的迭代次数较少许多。