CNN卷积神经网络之VGGNet

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前言

《Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition》
论文地址： https://arxiv.org/abs/1409.1556.

该网络是在ILSVRC 2014上的相关工作，ILSVRC2014比赛分类项目的第二名（第一名是GoogLeNet），2015年发表到ICLR。主要贡献是使用很小的卷积核(3×3)构建各种深度的卷积神经网络结构，16-19层的网络深度能够取得较好的识别精度。 这就是常用的VGG-16和VGG-19。

网络结构

输入是大小为224*224的RGB图像，预处理时计算出三个通道的平均值，在每个像素上减去平均值。全连接层后是Softmax，用来分类。所有隐藏层的conv层中间都使用ReLU作为激活函数。连续的卷积后面接最大池化。在FC层中间采用dropout层，防止过拟合。

VGG在训练的时候先训A的简单网络，再复用A网络的权重来初始化后面的几个复杂模型，可加快训练。

运用的方法

1.多尺度训练

训练采用多尺度训练（Multi-scale），将原始图像缩放到不同尺寸 S，然后再随机裁切224*224的图片，并且对图片进行水平翻转和随机RGB色差调整。
论文中使用了两种方法：
(1) 固定最小边的尺寸为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（scale jittering），有利于训练集增强。

结论：网络的性能随着网络的加深而提高。当网络层数达到19层时，使用VGG架构的错误率就不再随着层数加深而提高了。训练时的尺寸抖动的结果好于固定尺寸。

2.稠密和多裁剪图像评估对比

Dense（稠密评估），即指全连接层替换为卷积层（第一FC层转换到7×7卷积层，最后两个FC层转换到1×1卷积层），最后得出一个预测的score map，再求平均。可参考 OverFeat的全卷积部分。
multi-crop（多裁剪图像评估），即对图像进行多样本的随机裁剪，将得到多张裁剪得到的图像输入到网络中，最终对所有结果平均。

可以看出，多裁剪的结果是好于密集估计的。而且这两种方法是互补的，它们的组合会更加好。

3.小卷积核和连续的卷积层*

VGGNet全部使用3x3（or 1x1）的卷积核和2x2的最大池化。两个3x3卷积层的串联相当于1个5x5的卷积层，3个3x3的卷积层串联相当于1个7x7的卷积层，即3个3x3卷积层的感受野大小相当于1个7x7的卷积层。但是3个3x3的卷积层参数量只有7x7的一半左右，同时可以增加非线性。前者可以有3个非线性操作，而后者只有1个非线性操作，这样使得学习能力更强。

使用1x1的卷积层来增加线性变换，输出的通道数量上并没有发生改变。

可见 1x1的卷积也是很有效的，但是没有3x3的卷积效果好，因为3x3的网络可以学习到更大的空间特征。

4.dropout

并非首次提出，不在赘述。

(1)达到了一种模型融合的作用。相当于对多种网络结构进行了优化，预测时又取了平均，因此可以较为有效地防止过拟合的发生。
(2)减少神经元之间复杂的共适应性。有些特征可能会依赖于固定关系的隐含节点的共同作用，而通过dropout的话，增加了神经网络的鲁棒性。

5.尺寸大小和通道数

随着层数的增加，图像尺寸越来越小，通道数成倍增加。

总结

1）在训练时，可以使用多尺度抖动的训练图像，其精度好于固定尺寸的训练集。测试时，使用多裁剪和密集评估（卷积层替换全连接层）相结合的方法。
2）VGG的结构非常简洁规整，整个网络都使用了同样大小的卷积核尺寸和最大池化尺寸。几个小滤波器卷积层的组合比一个大滤波器卷积层好！！
3.验证了通过不断加深网络结构可以提升性能。
4.VGG耗费更多计算资源（卷积操作更多），并且使用了更多的参数（全连接层）。有些研究称：这些全连接层即使被去除，对于性能也没有什么影响，这样就显著降低了参数数量。（有空我会亲自验证一下）
5.尺寸越来越小，通道数越来越大。

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