【深度学习系列】用Tensorflow实现GoogLeNet InceptionV2/V3/V4

　　上一篇文章我们引出了GoogLeNet InceptionV1的网络结构，这篇文章中我们会详细讲到Inception V2/V3/V4的发展历程以及它们的网络结构和亮点。

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GoogLeNet Inception V2

GoogLeNet Inception V2在《Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate Shift》出现，最大亮点是提出了Batch Normalization方法，它起到以下作用：

• 使用较大的学习率而不用特别关心诸如梯度爆炸或消失等优化问题；
• 降低了模型效果对初始权重的依赖；
• 可以加速收敛，一定程度上可以不使用Dropout这种降低收敛速度的方法，但却起到了正则化作用提高了模型泛化性；
• 即使不使用ReLU也能缓解激活函数饱和问题；
• 能够学习到从当前层到下一层的分布缩放( scaling (方差)，shift (期望))系数。

　　在机器学习中，我们通常会做一种假设：训练样本独立同分布(iid)且训练样本与测试样本分布一致，如果真实数据符合这个假设则模型效果可能会不错，反之亦然，这个在学术上叫Covariate Shift，所以从样本（外部）的角度说，对于神经网络也是一样的道理。从结构（内部）的角度说，由于神经网络由多层组成，样本在层与层之间边提特征边往前传播，如果每层的输入分布不一致，那么势必造成要么模型效果不好，要么学习速度较慢，学术上这个叫InternalCovariate Shift。 

假设：$y$为样本标注，$X=\{x_{1},x_{2},x_{3},......\}$为样本$x$通过神经网络若干层后每层的输入；

理论上：$p(x,y)$的联合概率分布应该与集合$X$中任意一层输入的联合概率分布一致，如：$p(x,y)=p(x_{1},y)$；

但是：$p(x,y)=p(y|x)·p(x)$,其中条件概率$p(y|x)$是一致的，即$p(y|x)=p(y|x_{1})=p(y|x_{1})=......$，但由于神经网络每一层对输入分布的改变，导致边缘概率是不一致的，即$p(x)\neq p(x_{1})\neq p(x_{2})......$，甚至随着网络深度的加深，前面层微小的变化会导致后面层巨大的变化。

 

　　BN整个算法过程如下： 

• 以batch的方式做训练，对m个样本求期望和方差后对训练数据做白化，通过白化操作可以去除特征相关性并把数据缩放在一个球体上，这么做的好处既可以加快优化算法的优化速度也可能提高优化精度，一个直观的解释：

　　

　　 左边是未做白化的原始可行域，右边是做了白化的可行域；

• 当原始输入对模型学习更有利时能够恢复原始输入（和残差网络有点神似）：

　　

　　这里的参数$\gamma$和$\sigma$是需要学习的。

　　卷积神经网络中的BN

　　卷积网络中采用权重共享策略，每个feature map只有一对$\gamma$和$\sigma$需要学习。

 

 

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GoogLeNet Inception V3

GoogLeNet Inception V3在《Rethinking the Inception Architecture for Computer Vision》中提出（注意，在这篇论文中作者把该网络结构叫做v2版，我们以最终的v4版论文的划分为标准），该论文的亮点在于：

• 提出通用的网络结构设计准则
• 引入卷积分解提高效率
• 引入高效的feature map降维

网络结构设计的准则

前面也说过，深度学习网络的探索更多是个实验科学，在实验中人们总结出一些结构设计准则，但说实话我觉得不一定都有实操性：

• 避免特征表示上的瓶颈，尤其在神经网络的前若干层 

神经网络包含一个自动提取特征的过程，例如多层卷积，直观并符合常识的理解：如果在网络初期特征提取的太粗，细节已经丢了，后续即使结构再精细也没法做有效表示了；举个极端的例子：在宇宙中辨别一个星球，正常来说是通过由近及远，从房屋、树木到海洋、大陆板块再到整个星球之后进入整个宇宙，如果我们一开始就直接拉远到宇宙，你会发现所有星球都是球体，没法区分哪个是地球哪个是水星。所以feature map的大小应该是随着层数的加深逐步变小，但为了保证特征能得到有效表示和组合其通道数量会逐渐增加。 　　

下图违反了这个原则，刚开就始直接从35×35×320被抽样降维到了17×17×320，特征细节被大量丢失，即使后面有Inception去做各种特征提取和组合也没用。

• 对于神经网络的某一层，通过更多的激活输出分支可以产生互相解耦的特征表示，从而产生高阶稀疏特征，从而加速收敛，注意下图的1×3和3×1激活输出：

• 合理使用维度缩减不会破坏网络特征表示能力反而能加快收敛速度，典型的例如通过两个3×3代替一个5×5的降维策略，不考虑padding，用两个3×3代替一个5×5能节省1-（3×3+3×3）/(5×5)=28%的计算消耗。

• 以及一个n×n卷积核通过顺序相连的两个1×n和n×1做降维（有点像矩阵分解），如果n=3，计算性能可以提升1-(3+3)/9=33%，但如果考虑高性能计算性能，这种分解可能会造成L1 cache miss率上升。

• 通过合理平衡网络的宽度和深度优化网络计算消耗（这句话尤其不具有实操性）。
• 抽样降维，传统抽样方法为pooling+卷积操作，为了防止出现特征表示的瓶颈，往往需要更多的卷积核，例如输入为n个d×d的feature map，共有k个卷积核，pooling时stride=2，为不出现特征表示瓶颈，往往k的取值为2n，通过引入inception module结构，即降低计算复杂度，又不会出现特征表示瓶颈，实现上有如下两种方式：

　　平滑样本标注

对于多分类的样本标注一般是one-hot的，例如[0,0,0,1]，使用类似交叉熵的损失函数会使得模型学习中对ground truth标签分配过于置信的概率，并且由于ground truth标签的logit值与其他标签差距过大导致，出现过拟合，导致降低泛化性。一种解决方法是加正则项，即对样本标签给个概率分布做调节，使得样本标注变成“soft”的，例如[0.1,0.2,0.1,0.6]，这种方式在实验中降低了top-1和top-5的错误率0.2%。

　　网络结构

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GoogLeNet Inception V4

GoogLeNet Inception V4/和ResNet V1/V2这三种结构在《Inception-v4, Inception-ResNet and the Impact of Residual Connections on Learning》一文中提出，论文的亮点是：提出了效果更好的GoogLeNet Inception v4网络结构；与残差网络融合，提出效果不逊于v4但训练速度更快的结构。

GoogLeNet Inception V4网络结构

GoogLeNet Inception ResNet网络结构

 

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 代码实践

　　Tensorflow的代码在slim模块下有完整的实现，paddlepaddle的可以参考上篇文章中写的inception v1的代码来写。

 

 

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 总结　

　　这篇文章比较偏理论，主要讲了GoogLeNet的inception模块的发展，包括在v2中提出的batch normalization，v3中提出的卷积分级与更通用的网络结构准则，v4中的与残差网络结合等，在实际应用过程中可以可以对同一份数据用不同的网络结构跑一跑，看看结果如何，实际体验一下不同网络结构的loss下降速率，对准确率的提升等。