机器不学习：窥探CNN经典模型——他山之玉 可以攻石

上一篇文章介绍了CNN的基础知识以及它的优势，今天这篇文章主要来看一看一些著名的卷积神经网络的结构特点，以便我们对CNN有更加直观地认识。

一、LeNet-5

论文：http://yann.lecun.com/exdb/publis/pdf/lecun-01a.pdf

这个可以说是CNN的开山之作，由Yann LeCun在1998年提出，可以实现对手写数字、字母的识别。结构如下：

图中的 subsampling，即“亚采样”，就是我们前面说的pooling，因为pooling其实就是对原图像进行采样的一个过程。它总共7层，分别有2个CONV层，2个POOL层，3个FC层。当然，它的输入规模很小，是32×32大小的单通道图片。

我们可以用下面的式子，来表示上面的网络结构：

Input(32×32)-->CONV(6 filters)-->AvgPOOL-->CONV(16 filters)-->AvgPOOL-->FC(120)-->FC(84)-->FC(10)

细节没什么好说的。后面我们可以试着用TensorFlow或者Keras来复现一下。

二、AlexNet

论文：http://vision.stanford.edu/teaching/cs231b_spring1415/slides/alexnet_tugce_kyunghee.pdf

AlexNet于2012年由Alex Krizhevsky, Ilya Sutskever 和 Geoffrey Hinton等人提出，并在2012 ILSVRC (ImageNet Large-Scale Visual Recognition Challenge)中取得了最佳的成绩。这也是第一次CNN取得这么好的成绩，并且把第二名远远地甩在了后面，因此震惊了整个领域，从此CNNs才开始被大众所熟知。

这里简单地说一下这个ILSVRC，它是一个ImageNet发起的挑战，是计算机视觉领域的奥运会。全世界的团队带着他们的模型来对ImageNet中的数以千万的共1000个类别的图片进行分类、定位、识别。这个是一个相当有难度的工作，1000个类别啊。

那我们来看看这个AlexNet的结构把：

图片来源：https://www.learnopencv.com/understanding-alexnet/

输入的图片是256×256，然后进行随机的裁剪得到227×227大小，然后输入进网络中。可见，这个输入比LeNet的要大得多，这种大小，在当年已经是图片的主流大小了。

AlexNet共有8层，其中5个CONV层和3个FC层，这里没有算上POOL层，因为严格意义上它不算层，因为没有可训练的参数。

关于AlexNet有如下要点：

用ImageNet的1500万张来自2万2千个类别的图片进行训练，在两个GTX 580 GPU上训练了5,6天；使用ReLU激活函数，而之前的神经网络，包括LeNet，都是使用sigmoid或者tanh激活函数，AlexNet证明了ReLU函数在效率效果上更佳，速度提高很多倍；使用了很多的数据扩增技术（Dada Augmentation），比如图片反转、剪切、平移等等，来扩充训练集，使得训练的模型鲁棒性更强；第一次使用dropout正则化技术；使用mini-batch SGD（也成随机梯度下降）来加快训练。

总之，AlexNet让人们认识到CNN的强大和巨大的潜能，并为之后的研究提供了很多有用的经验和技术。

三、VGG Net

论文：https://arxiv.org/pdf/1409.1556.pdf

这个网络于2014年被牛津大学的Karen Simonyan 和Andrew Zisserman提出，主要特点是 “简洁，深度”。 深， 是因为VGG有19层，远远超过了它的前辈； 而简洁，则是在于它的结构上，一律采用stride为1的3×3filter，以及stride为2的2×2MaxPooling。所以虽然深，但是结构大家一眼就可以记住。

这个图来自于VGG的论文，每一列是他们研究的不同的结构，我们直接看E的那个结构，不难发现，若干个CONV叠加，然后配一个MaxPooling，再若干个CONV，再加一个MaxPooling，最后三个FC。而且，每个MaxPooling之后，CONV的filter的个数都翻倍，分别是64,128,256,512，结构十分规则有规律。

VGG刷新了CNN的深度，其简明的结构更是让人印象深刻。

四、Inception Net（GoogleNet）

论文：https://www.cs.unc.edu/~wliu/papers/GoogLeNet.pdf

看了前面的网络结构之后，我们会发现，他们越来越深，filter越来越多，参数越来越多。 似乎提高CNN的表现的方法就是堆叠更多的CONV、POOL层排成一列（我们称之为sequential model，熟悉keras的同学应该知道）就行了。确实那个时候大家都在想方设法增加网络的层数，让我们的CNN更加庞大。

但我们也应该清楚，一味地增加层数、增加通道数（filters越多，输出图像的通道数就越多），会让我们的计算量急剧增加，模型变得过于复杂，从而更容易过拟合，这样反而会让模型的性能下降。

Inception Net不再是使用Sequential model，在结构上有了重大创新。

在sequential model中，所有操作，无论是CONV还是POOL，都是排成一些序列。但是Google他们就想，为什么不可以同时进行各种操作呢？于是论文的作者有一个大胆的想法，假如我们有3个CONV和一个MaxPOOL，何不让它们平行地运算，然后再整合在一起？：

这样做有一个问题，就是，整合在一起之后，channels这个维度会过大。

于是作者想出了一个好办法，那就是使用filter为1×1的CONV来进行降维：

前面学过了卷积的操作，我们知道，一个1×1的filter去卷积，图像的长和宽都不会变化，同时，输出图像的channels数等于filters的个数，所以对于图中的192个channels的图像，我们用32个filter，就可以把维度降低到32维。

于是，我们可以利用1×1CONV的这个特点，来改造上面的整合过程：

可见，通过使用1×1CONV，输出的通道数大大减少，这样，整个模型的参数也会大大减少。

上面这个部分，称为“Inception Module”，而Inception Network，就是由一个个的inception module组成的：

图片来源：https://adeshpande3.github.io/The-9-Deep-Learning-Papers-You-Need-To-Know-About.html

通过inception module，GoogleNet成功地把CNN的层数增加到了超过100层！（如果把一个module当做一层的话，则是22层）。

这个GoogleNet就牛逼了，名副其实地“深”，而且参数的数量也比我们前面介绍的AlexNet要少很多倍！所以训练出的模型不仅效果好，而且更快。

五、ResNet （残差网络）

论文：https://arxiv.org/pdf/1512.03385.pdf

最后要介绍的就是ResNet，于2015年由微软亚洲研究院的学者们提出。

前面讲了，CNN面临的一个问题就是，随着层数的增加，CNN的效果会遇到瓶颈，甚至会不增反降。这往往是梯度爆炸或者梯度消失引起的。

ResNet就是为了解决这个问题而提出的，因而帮助我们训练更深的网络。 它引入了一个 residual block（残差块）：

这个图来自原论文。 可以很直观地看出，这个残差块把某一层的激活值，直接一把抓到了后面的某一层之前 ，这个过程称之为“skip connection（跳跃连接）”。 这个做法，相当于把前面的信息提取出来，加入到当前的计算中，论文作者认为，这样的做法，可以 使神经网络更容易优化。事实上却是是这样。

通过这种residual block，他们成功地搭建了一个拥有 152层的CNN！深不见底！ 我从论文中截取网络的一部分如下：

关于具体的细节以及为什么residual block有效，可以查阅原论文或者网上的其他教程。

转自：https://www.zhihu.com/people/guo-bi-yang-78/posts