ResNet 系列论文

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0. 前言

• 目标：总结残差网络系列论文，老忘记，就记录一下每篇论文的创新点。
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  • ResNet v1: Deep Residual Learning for Image Recognition
    • 第一次提出ResNet结构。
  • ResNet v2: Identity Mappings in Deep Residual Networks
    • 对原始ResNet结构进行一些测试，找到更合适的结构，主要就是 conv-bn-relu的顺序以及relu的位置
  • Wide ResNet: Wide Residual Networks
    • 之前的ResNet太“瘦”了，并实验证明“胖”一点的结构也能用
  • ResNext: Aggregated Residual Transformations for Deep Neural Networks
    • 将Inception的思路引入ResNet，主要就是分组卷积
  • Res2Net: A New Multi-scale Backbone Architecture
    • 设计用于处理多尺度问题，不仅是分组卷积，前面几组的结果还会作为后续组别的输入。
  • iResNet: Improved Residual Networks for Image and Video Recognition
    • 改进ResNet的基本结构，即bottleneck结构、shortcut结构。

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1. ResNet V1

• arxiv: Deep Residual Learning for Image Recognition
• 要解决什么问题？
  • ResNet 刚被提出来的时候，主要要解决的就是“深层神经网络训练困难”的问题。
    • 从理论上看，深层网络模型效果不会低于浅层网络。例如，假设深层网络前面的结构与浅层网络完全相同，深层网络后面的结果使用Identity Mapping，则可以保证深层网络效果等价于浅层网络。
    • 但实际训练中，如果直接使用一些普通的深层网络，效果却比浅层网络差，这就意味着不是模型本身有问题，而是深层模型训练比浅层困难。
  • 所谓“训练困难”，主要就是梯度消散。
    • 没有ResNet结构的深层网络效果较差的原因不是过拟合（因为训练误差也随着深度增加而增加了）。
• 用了什么方法解决？
  • 提出了ResNet，即残差网络结构。其基本结构如下图
  • ResNet有效的一种解释是：由于梯度消散导致训练困难，则通过残差结构保留梯度。
  • BotteleNet 结构，即上图中右边的结构。
    • BottleNet应该可以翻译为“瓶颈”结构。
    • 所谓瓶颈，主要指的是channel的数量的变化（先大后小再增大）。以上面右图为例，输入与输出的channel都是256，但前两层的channel是64，这就会减少参数数量。
    • 该结构的目标是减少参数与运算量。
  • 如果输入与输出需要变化channel数量，那就需要对shotcut通道也进行处理。
  • 设计的网络结构如下：
• 效果如何？
  • 好得一笔。
  • ResNet50应该是现在最基本的backbone，用在几乎所有CV相关的任务中。
  • 后来设计网络有很多很多都借鉴了这个结构。
• 还存在什么问题？
  • 而且这种结构一般都比较玄学，一般靠各种完备的实验来证明信结构的优越性，但不能完整解释为什么work。
  • Wide ResNet论文中提到
    • ResNet比Inception的泛化能力差一点。
    • shortcut结构虽然能够保留梯度，但也存在一些问题：
      • 由于使用了shortcut结构，所以block的非shortcut子路其实可以不传递梯度，也就是说，换句话说，每个block能够学习到的东西很少。
      • 从上面可以看出，可能只有一些block能够学到有用的内容，其他很多block其实对最终结果没有什么作用。
      • 上面所说的这个问题在论文 Highway networks 被称为 diminishing feature resue。

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2. ResNet V2

• arxiv: Identity Mappings in Deep Residual Networks
• 要解决什么问题？
  • 本质是在 ResNet V1 的基础上进行一些修改，主要思想还是 ResNetV1。
  • 个人感觉是在ResNetV1的基础上又做了一系列实验，寻找更合适的结构。
• 用了什么方法解决？
  • 改进残差单元，如下图
    • 主要改进方案有两个：将激活层放到旁路，将旁路结构从conv-bn-relu改为bn-relu-conv。
    • 
  • 还试验了很多其他结构，最终选择的反正就是最后一个，没花头。
    • 
  • 对于上面那张图，在这篇文章中有一些解释：
• 效果如何？
  • 做了很多实验，证明新的结构比旧的好。
• 还存在什么问题？
  • 这篇论文感觉比较水，就是一系列实验找了个更好的模型结构。
  • 不可解释，都是实验的结果，但又不知道为什么这样修改比较好。
  • 但我看了PyTorch的ResNet实现，好像都没用这里的东西……

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3. Wide ResNet

• arxiv: Wide Residual Networks
• 要解决什么问题？
  • 之前的ResNet可以通过增加深度来提高模型精度。但随着深度的增加，提高的精度越来越少，且训练难度越来越大。
  • 当时的ResNet相关研究主要聚焦于增加网络的“深度”，而不怎么关注“宽度”。
    • 所谓“宽度”，指的是特征图的深度；所谓“深度”，指的是叠加的卷基层/BN层等的数量。
    • 基本上用到的网络都是很“瘦长”的。
  • 与Inception系列比，ResNet系列的泛化性（generalization）较差，即特征用于迁移学习时效率更低。
    • 由于使用了shortcut结构，所以block的非shortcut子路其实可以不传递梯度，也就是说，换句话说，每个block能够学习到的东西很少。
    • 从上面可以看出，可能只有一些block能够学到有用的内容，其他很多block其实对最终结果没有什么作用。
    • 上面所说的这个问题在论文 Highway networks 被称为 diminishing feature resue。
  • 从上面这些问题就引出了本文的目标：如何使用wide deep residual networks来处理深度网络存在的训练问题。
• 用了什么方法解决？
  • 提出了一个新的block结构：
    • 如图所示，新提出的结构的宽度增加（即前两张图片的卷基层宽度较小，后两张较大）。
    • 
  • 基于新的block结构提出了Wide ResNet
  • 在每个block的卷基层之间使用了Dropout。.
  • 在设置窟宽度、深度的时候，一般是考虑参数数量。
• 效果如何？
  • 仅使用16层网络，在多个数据集（CIFAR/SVHN/COCO/ImageNet）上达到最优。
• 还存在什么问题？
  • Wide ResNet 现在好像不太常用。
  • 在卷基层中间加上Dropout好像也不常用。
  • PyTorch的Torchvision中有Wide ResNet的实现，不过也与论文中不完全相同，仅仅是修改了每个block中特征图的深度。

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4. ResNext

• arxiv: Aggregated Residual Transformations for Deep Neural Networks
• github
• 要解决什么问题？
  • 提到当时视觉识别问题（visual recognition）已经从特征工程（feature engineering）转换为网络设计（network engineering）。
  • 当时的研究还集中在网络结构的设计上，想要同时结合VGG和ResNet的特点。
    • VGG网络的设计提出了一种新的设计方案：
      • 叠加同样的block从而得到结果。
      • 作者认为这种设计比较好，不会导致在某个数据集上性能好，放到其他数据集上性能不好。
    • Inception系列模型提出了 split-transformation-merge 策略，注重性能。
  • 当时的网络设计，在增加计算量/参数量的基础上提高性能比较多，很少有参数量/计算量不变但性能提高的。
• 用了什么方法解决？
  • 设计了一种新的block结构，其中心思想是引入了 cardinality 的概念，我的理解其实就是做分组卷积。
    • 普通ResNet是做三次卷积，channel变化分别是256 -> 64 -> 64 -> 256。
    • ResNext的做法是将做32组操作（即cardinality参数），每组channel变化是 256 -> 4 -> 4 -> 256，最后将32组的所有结果累加。
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  • 在具体实现时，有一些可以修改的地方（从而提高性能）
    • 下图中，b/c就与a完全相同，但性能更好。
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  • 提出的ResNext网络结构如下图：
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• 效果如何？
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• 还存在什么问题？
  • 感觉整体idea也没啥，就是加了个分组卷积，效果还不错。

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5. Res2Net

• arxiv: Res2Net: A New Multi-scale Backbone Architecture
• github
• 要解决什么问题？
  • 主要解决多尺度(multi-scales)的问题。
  • multi-scale 问题是什么？
    • 在一张图片中，可能出现不同尺寸的多个物体。
    • 一个物体周边的其他物体可能比物体本身蕴含更多信息。
    • 获取不同尺度物体的信息对于一些任务（如语义分隔、颗粒度分类）有很大作用。
  • 之前处理 multi-scale 主要通过 layer-wise representation 来表示。还有通过处理不同尺度的特征图来处理。
• 用了什么方法解决？
  • 提出了Res2Net Module，结构如下图所示。
    • 该结构为模型超参数多了一个选项，scale dimension，下图为4，即将卷基层分为多少个组。
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  • 这种方法 at a more granular level（不知道怎么翻译，更细微的层面）上处理multi-scale问题。
    • 如何理解 res2net module 能够处理 multi-scale 问题？可以从receptive field上理解，上图中分组从左到右的receptive field依次增加。
  • 与其他模型整合，如整合ResNext与SE。整体结构如下图
    • SE模块如下图
    • 与ResNext整合的意思就是其中的group=1的普通卷积转换为group=c的分组卷积。
• 效果如何？
  • 替代ResNet后普遍涨点，下面这结果还是带了运行时间的，可以有
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  • Grad-Cam效果都更好了
  • 在关键点识别、目标检测、语义分割中都得到了较好的结果，已经作为mmdetection的backbone。
• 还存在什么问题？
  • 这种分组卷积都有一个问题，虽然GFLOPs差不多，但实际运行速度肯定有一定下降。

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6. iResNet

• arxiv: Improved Residual Networks for Image and Video Recognition

• github

• 要解决什么问题？

  • ResNet是现在常用的backbone，主要就是用于抑制退化问题（随着神经网络层数增加，训练结果变差了）。
  • ResNet虽然抑制了退化问题，但也存在上升空间。

• 用了什么方法解决？

  • iResNet，是 improved residual network 的缩写。
  • 改进ResNet Block的基本结构，如下图：
    • (a) 是ResNet v1的结构，注意relu的位置，这种结构不利于将信息保留下来。
    • (b) 是ResNet V2的结构，为了解决上面所说的relu不利于保留信息，所以改变了conv-bn-relu的顺序，且改变了relu的结构，但这样做保留信息的方式太直接了，相当于从一个极端走向另一个极端。
    • 文章总结了之前结构存在的两个问题：
      • 在stage后的数据都没有经过relu，所以随着block数量增加，总体信号变得越来越 unnormalized，这导致训练难度增加。
      • 由于会降低特征图尺寸，每次降低时都会用到 11 卷积来做 projection，四个11连接，但没有任何非线性处理，这会导致训练难度增加。
    • 为了改进上面所说的问题，提出了下图©结构。
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  • 改进shortcut结构
    • shortcut就是在block的输入与输出尺寸有变化时使用。
    • 文章认为 1*1 stride 2 卷积操作会损失75%的特征图信息，而且选择的25%并没有什么依据。
    • 新结构设计的依据有三个：减少信息损失、增加了translation invariance、看作是soft/hard downsampling 的结合
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  • 改进 block 的结构
    • 以前用的 bottleneck 结构，是为了减少计算量。
    • 本文引入了分组卷积，在增加channel的保持FLOPs基本上不增加。
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• 效果如何？

  • 有一些与resnet v1比较的结果就不看了……怎么可能比resnet v1差。
  • 下图比较了 resnext，看起来并没有什么优势（参数虽然少了，但FLOPs多了）
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• 还存在什么问题？

  • FLOPs不增加不代表inference time不增加。
  • 其实我感觉这篇论文结果选择的baseline有点弱了……要比也是跟Res2Net、ResNeXt比吧……比了好像也没有太大优势。