卷积神经网络的网络结构——Inception V4

《Inception-v4, Inception-ResNet and the Impact of Residual Connections on Learning》

• 2016，Google，Inception V4，Inception ResNet V1、V2

Inception结构有着良好的性能，且计算量低。Residual connection不同于传统网络结构，且在2015 ILSVRC取得冠军，它的性能和Inception-v3接近。作者尝试将Inception结构和Residual connection结合，同时也设计了不用Residual connection版本的Inception-v4。通过对三个残差和一个Inception-v4进行组合，在top-5错误率上达到了 3.08%。

1.相关工作：

卷积网络在图像识别领域已经十分流行，经典网络有AlexNet、VGGNet、GoogLeNet等。Residual connection的提出是用于训练更深的网络，但是作者发现不使用Residual connection也可以训练更深的网络。Residual connection并不是必要条件，只是使用了Residual connection会加快训练速度。
Inception结构最初由GoogLeNet引入，GoogLeNet叫做Inception-v1；之后引入了BatchNormalization，叫做Inception-v2；随后引入分解，叫做Inception-v3。

2.网络架构：

Inception-v4网络，对于Inception块的每个网格大小进行了统一。
下图是Inception-v4的结构：所有图中没有标记“V”的卷积使用same的填充原则，即其输出网格与输入的尺寸正好匹配。使用“V”标记的卷积使用valid的填充原则，意即每个单元输入块全部包含在前几层中，同时输出激活图（output activation map）的网格尺寸也相应会减少。

Stem模块为：

Inception-v4网络35×35网格的框架（对应图中Inception-A块）：

Inception-v4网络17×17网格块的框架（对应图中Inception-B块）：

Inception-v4网络的8×8网格模块的框架（对应图中Inception-C块）：

不同的Inception模块的连接，减小了feature map，却增加了filter bank。

35x35变为17x17模块，即Reduction-A ：

17x17变为8x8模块，即Reduction-B ：

Inception-ResNet

我们尝试了残差Inception的几个版本。这里对其中的两个进行具体细节展示。第一个是“Inception-ResNet-v1”，计算代价跟Inception-v3大致相同，第二个“Inception-ResNet-v2”的计算代价跟Inception-v4网络基本相同。
Inception-ResNet的两个版本，结构基本相同，只是细节不同。整体结构为：

Inception-ResNet-v1和Inception-ResNet-v2对应的stem模块为：
注：Inception-ResNet-v2和Inception-v4使用相同的Stem模块
Inception-ResNet-v1的Stem模块：

Inception-ResNet-v1和Inception-ResNet-v2对应的Inception-resnet-A模块为：


Inception-ResNet-v1和Inception-ResNet-v2对应的Inception-resnet-B模块为：


Inception-ResNet-v1和Inception-ResNet-v2对应的Inception-resnet-C模块为：


注：Inception-ResNet-v1和Inception-ResNet-v2对应的3535to1717的reduction模块同Inception v4一样。

Inception-ResNet-v1和Inception-ResNet-v2对应的17x17变为8x8模块，即Reduction-B：


Inception-ResNet的stem模块和Reduction-B模块也略微不同。Inception-ResNet-v1和Inception-ResNet-v2主要在于Reduction-A结构不同：

其中k,l,m,n表示filter bank size。

3.对残差模块的缩放

我们发现，如果滤波器数量超过1000，残差网络开始出现不稳定，同时网络会在训练过程早期便会出现“死亡”，意即经过成千上万次迭代，在平均池化（average pooling） 之前的层开始只生成0。通过降低学习率，或增加额外的batch-normalizatioin都无法避免这种状况。
我们发现，在将残差模块添加到activation激活层之前，对其进行放缩能够稳定训练。通常来说，我们将残差放缩因子定在0.1到0.3。
注：He在训练Residual Net时也发现这个问题，提出了“two phase”训练。首先“warm up”，使用较小的学习率。接着再使用较大的学习率。

缩放模块仅仅适用于最后的线性激活。

4.实验结果

在验证集上各种结构的单个模型以及单次裁剪的top-1和top-5错误率。

5.结论

本文详细呈现了三种新的网络结构：
（1）Inception-ResNet-v1：混合Inception版本，它的计算效率同Inception-v3；
（2）Inception-ResNet-v2：更加昂贵的混合Inception版本，同明显改善了识别性能；
（3）Inception-v4：没有残差链接的纯净Inception变种，性能如同Inception-ResNet-v2我们研究了引入残差连接如何显著的提高inception网络的训练速度。而且仅仅凭借增加的模型尺寸，我们的最新的模型（带和不带残差连接）都优于我们以前的网络。

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注：博众家之所长，集群英之荟萃。