深度学习基础系列：Resnet

Resnet简介：
2015年何恺明推出的ResNet在ISLVRC和COCO上横扫所有选手，获得冠军。ResNet在网络结构上做了大创新，而不再是简单的堆积层数，ResNet在卷积神经网络的新思路，绝对是深度学习发展历程上里程碑式的事件。
ResNet在ImageNet比赛classification任务上获得第一名，因为它“简单与实用”并存，之后很多方法都建立在ResNet50或者ResNet101的基础上完成的，检测，分割，识别等领域都纷纷使用ResNet，Alpha zero也使用了ResNet，所以可见ResNet确实很好用。

Resnet闪光点：

  1. 层数非常深，已经超过百层
  2. 引入残差单元来解决退化问题

从前面可以看到，随着网络深度增加，网络的准确度应该同步增加，当然要注意过拟合问题。但是网络深度增加的一个问题在于这些增加的层是参数更新的信号，因为梯度是从后向前传播的，增加网络深度后，比较靠前的层梯度会很小。这意味着这些层基本上学习停滞了，这就是梯度消失问题。深度网络的第二个问题在于训练，当网络更深时意味着参数空间更大，优化问题变得更难，因此简单地去增加网络深度反而出现更高的训练误差，深层网络虽然收敛了，但网络却开始退化了，即增加网络层数却导致更大的误差，比如下图，一个56层的网络的性能却不如20层的性能好，这不是因为过拟合（训练集训练误差依然很高），这就是烦人的退化问题。残差网络ResNet设计一种残差模块让我们可以训练更深的网络。

resnet 中间层可视化 resnet层数计算_resnet 中间层可视化


这里详细分析一下残差单元来理解ResNet的精髓：

从下图可以看出，数据经过了两条路线，一条是常规路线，另一条则是捷径（shortcut），直接实现单位映射的直接连接的路线，这有点类似与电路中的“短路”。通过实验，这种带有shortcut的结构确实可以很好地应对退化问题。我们把网络中的一个模块的输入和输出关系看作是y=H(x)，那么直接通过梯度方法求H(x)就会遇到上面提到的退化问题，如果使用了这种带shortcut的结构，那么可变参数部分的优化目标就不再是H(x),若用F(x)来代表需要优化的部分的话，则H(x)=F(x)+x，也就是F(x)=H(x)-x。因为在单位映射的假设中y=x就相当于观测值，所以F(x)就对应着残差，因而叫残差网络。为啥要这样做，因为作者认为学习残差F(X)比直接学习H(X)简单！设想下，现在根据我们只需要去学习输入和输出的差值就可以了，绝对量变为相对量（H（x）-x 就是输出相对于输入变化了多少），优化起来简单很多。

考虑到x的维度与F(X)维度可能不匹配情况，需进行维度匹配。这里论文中采用两种方法解决这一问题(其实是三种，但通过实验发现第三种方法会使performance急剧下降，故不采用)：

  • zero_padding:对恒等层进行0填充的方式将维度补充完整。这种方法不会增加额外的参数
  • projection:在恒等层采用1x1的卷积核来增加维度。这种方法会增加额外的参数

resnet 中间层可视化 resnet层数计算_2d_02


下图展示了两种形态的残差模块：

  1. 左图是常规残差模块，有两个3×3卷积核卷积核组成，但是随着网络进一步加深，这种残差结构在实践中并不是十分有效。
  2. 针对这问题，右图的“瓶颈残差模块”（bottleneck residual block）可以有更好的效果，它依次由1×1、3×3、1×1这三个卷积层堆积而成，这里的1×1的卷积能够起降维或升维的作用，从而令3×3的卷积可以在相对较低维度的输入上进行，以达到提高计算效率的目的。

resnet 中间层可视化 resnet层数计算_2d_03


ResNet-50的Keras实现：

def Conv2d_BN(x, nb_filter,kernel_size, strides=(1,1), padding='same',name=None):
    if name is not None:
        bn_name = name + '_bn'
        conv_name = name + '_conv'
    else:
        bn_name = None
        conv_name = None

    x = Conv2D(nb_filter,kernel_size,padding=padding,strides=strides,activation='relu',name=conv_name)(x)
    x = BatchNormalization(axis=3,name=bn_name)(x)
    return x

def Conv_Block(inpt,nb_filter,kernel_size,strides=(1,1), with_conv_shortcut=False):
    x = Conv2d_BN(inpt,nb_filter=nb_filter[0],kernel_size=(1,1),strides=strides,padding='same')
    x = Conv2d_BN(x, nb_filter=nb_filter[1], kernel_size=(3,3), padding='same')
    x = Conv2d_BN(x, nb_filter=nb_filter[2], kernel_size=(1,1), padding='same')
    if with_conv_shortcut:
        shortcut = Conv2d_BN(inpt,nb_filter=nb_filter[2],strides=strides,kernel_size=kernel_size)
        x = add([x,shortcut])
        return x
    else:
        x = add([x,inpt])
        return x

def ResNet50():
    inpt = Input(shape=(224,224,3))
    x = ZeroPadding2D((3,3))(inpt)
    x = Conv2d_BN(x,nb_filter=64,kernel_size=(7,7),strides=(2,2),padding='valid')
    x = MaxPooling2D(pool_size=(3,3),strides=(2,2),padding='same')(x)
    
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[64,64,256],kernel_size=(3,3),strides=(1,1),with_conv_shortcut=True)
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[64,64,256],kernel_size=(3,3))
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[64,64,256],kernel_size=(3,3))
    
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[128,128,512],kernel_size=(3,3),strides=(2,2),with_conv_shortcut=True)
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[128,128,512],kernel_size=(3,3))
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[128,128,512],kernel_size=(3,3))
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[128,128,512],kernel_size=(3,3))
    
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[256,256,1024],kernel_size=(3,3),strides=(2,2),with_conv_shortcut=True)
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[256,256,1024],kernel_size=(3,3))
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[256,256,1024],kernel_size=(3,3))
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[256,256,1024],kernel_size=(3,3))
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[256,256,1024],kernel_size=(3,3))
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[256,256,1024],kernel_size=(3,3))
    
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[512,512,2048],kernel_size=(3,3),strides=(2,2),with_conv_shortcut=True)
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[512,512,2048],kernel_size=(3,3))
    x = Conv_Block(x,nb_filter=[512,512,2048],kernel_size=(3,3))
    x = AveragePooling2D(pool_size=(7,7))(x)
    x = Flatten()(x)
    x = Dense(1000,activation='softmax')(x)
    
    model = Model(inputs=inpt,outputs=x)
    return model