【图像分类】一文彻底搞明白GoogLeNet

妖狐艹你老母 2022-10-06 00:47 189阅读 0赞

# **1****、 模型介绍** #

GoogLeNet作为2014年ILSVRC在分类任务上的冠军，以6.65%的错误率力压VGGNet等模型，在分类的准确率上面相比过去两届冠军ZFNet和AlexNet都有很大的提升。从名字**GoogLe**Net可以知道这是来自谷歌工程师所设计的网络结构，而名字中Goog**LeNet**更是致敬了LeNet。GoogLeNet中最核心的部分是其内部子网络结构Inception，该结构灵感来源于NIN，至今已经经历了四次版本迭代（Inception\_v1-4）。下表是Inception\_v1-4提出的时间表

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hoaGhoaGhoaGh3d3d3d3d3d3d3_size_16_color_FFFFFF_t_70][] Inception不同版本的性能比较图

一般来说，提升网络性能最直接的办法就是增加网络深度和宽度，但一味地增加，会带来诸多问题：  
1）参数太多，如果训练数据集有限，很容易产生过拟合；  
2）网络越大、参数越多，计算复杂度越大，难以应用；  
3）网络越深，容易出现梯度弥散问题（梯度越往后穿越容易消失），难以优化模型。  
我们希望在增加网络深度和宽度的同时减少参数，为了减少参数，自然就想到将全连接变成稀疏连接。但是在实现上，全连接变成稀疏连接后实际计算量并不会有质的提升，因为大部分硬件是针对密集矩阵计算优化的，稀疏矩阵虽然数据量少，但是计算所消耗的时间却很难减少。在这种需求和形势下，Google研究人员提出了Inception的方法。

# **2****、 模型结构** #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hoaGhoaGhoaGh3d3d3d3d3d3d3_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

如图所示，GoogLeNet相比于以前的卷积神经网络结构，除了在深度上进行了延伸，还对网络的宽度进行了扩展，整个网络由许多块状子网络的堆叠而成，这个子网络构成了Inception结构。为了更详细的了解Inception，下面对Inception\_v1、Inception\_v2、Inception\_v3、Inception\_v4做更详细的说明。

## Inception\_v1 ##

Inception\_v1在同一层中采用不同的卷积核，并对卷积结果进行合并; 下面的两张图展示Inception\_v1采用的两种卷积模块a和b。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hoaGhoaGhoaGh3d3d3d3d3d3d3_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

对上图做以下说明：

1 . 采用不同大小的卷积核意味着不同大小的感受野，最后拼接意味着不同尺度特征的融合；

2 . 之所以卷积核大小采用1、3和5，主要是为了方便对齐。设定卷积步长stride=1之后，只要分别设定pad=0、1、2，那么卷积之后便可以得到相同维度的特征，然后这些特征就可以直接拼接在一起了；

3 . 文章说很多地方都表明pooling挺有效，所以Inception里面也嵌入了。

4 . 网络越到后面，特征越抽象，而且每个特征所涉及的感受野也更大了，因此随着层数的增加，3x3和5x5卷积的比例也要增加。

但是，使用5x5的卷积核仍然会带来巨大的计算量。 为此，文章借鉴NIN2，采用1x1卷积核来进行降维。

例如：上一层的输出为100x100x128，经过具有256个输出的5x5卷积层之后(stride=1，pad=2)，输出数据为100x100x256。其中，卷积层的参数为128x5x5x256。假如上一层输出先经过具有32个输出的1x1卷积层，再经过具有256个输出的5x5卷积层，那么最终的输出数据仍为为100x100x256，但卷积参数量已经减少为128x1x1x32 + 32x5x5x256，大约减少了4倍。

具体改进后的Inception Module如下图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hoaGhoaGhoaGh3d3d3d3d3d3d3_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

GoogLeNet中Inception\_v1网络参数配置

## Inception\_v2 ##

Inception\_v2组合不同卷积核的堆叠形式，并对卷积结果进行合并;把5\*5的卷积改成了两个3\*3的卷积串联，它说一个5\*5的卷积看起来像是一个5\*5的全连接，所以干脆用两个3\*3的卷积，第一层是卷积，第二层相当于全连接，这样可以增加网络的深度，并且减少了很多参数。模型的结构如下图：

![2bf8531c86b7830c85b68e675df1472b.png][]![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hoaGhoaGhoaGh3d3d3d3d3d3d3_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

Inception\_v2还引入了使用了Batch Normalization，加了这个以后训练起来收敛更快，学习起来自然更高效，可以减少dropout的使用。

28x28 的 Inception 模块的数量由 2 增加到了 3.

Inception 模块，Ave 和 Max Pooling 层均有用到. 参考表格。

两个 Inception 模块间不再使用 pooling 层；而在模块 3c 和 4e 中的 concatenation 前采用了 stride-2 conv/pooling 层.

详细的参数列表

![23068777829de76f54e2a71e8fc0f293.png][]

## Inception\_v3 ##

Inception\_v3则在v\_2基础上进行深度组合的尝试，输入改为299×299×3。

![format_png][]

Inception\_V3出了采用Inception\_V2中，将5×5的卷积分解成两个3×3的卷积，还衍生出了非对称分解，将一个3x3的卷积分解为3x1和1x3，进一步衍生出了一种混合两种分解方式的结构Inception\_V3三种结构如下图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hoaGhoaGhoaGh3d3d3d3d3d3d3_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hoaGhoaGhoaGh3d3d3d3d3d3d3_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hoaGhoaGhoaGh3d3d3d3d3d3d3_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

## Inception\_v4 ##

Inception\_v4结构相比于前面的版本更加复杂，不仅使用了前面的Inception，同时子网络中嵌套着子网络，作者还尝试了 **Residual Connection。**Inception\_v4的输入是384×384×3

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hoaGhoaGhoaGh3d3d3d3d3d3d3_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hoaGhoaGhoaGh3d3d3d3d3d3d3_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

#    总结 #

*  **Inception V1**——构建了1x1、3x3、5x5的 conv 和3x3的 pooling 的**分支网络**，同时使用 **MLPConv **和**全局平均池化**，扩宽卷积层网络宽度，增加了网络对尺度的适应性；
    
    **Inception V2**——提出了 **Batch Normalization**，代替 **Dropout **和 **LRN**，其正则化的效果让大型卷积网络的训练速度加快很多倍，同时收敛后的分类准确率也可以得到大幅提高，同时学习 **VGG** 使用两个3´3的卷积核代替5´5的卷积核，在降低参数量同时提高网络学习能力；
    
    **Inception V3**——引入了 **Factorization**，将一个较大的二维卷积拆成两个较小的一维卷积，比如将3´3卷积拆成1´3卷积和3´1卷积，一方面节约了大量参数，加速运算并减轻了过拟合，同时增加了一层非线性扩展模型表达能力，除了在** Inception Module **中使用分支，还在分支中使用了分支（**Network In Network In Network**）；
    
    **Inception V4**——研究了 **Inception Module **结合 **Residual Connection**，结合 **ResNet** 可以极大地加速训练，同时极大提升性能，在构建 Inception-ResNet 网络同时，还设计了一个更深更优化的 Inception v4 模型，能达到相媲美的性能

复现代码：[GoogLeNet(V1-V4)Pytorch复现.zip-深度学习文档类资源-CSDN下载][GoogLeNet_V1-V4_Pytorch_.zip-_-CSDN]

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