深度残差网络（Deep residual network, ResNet）

一、前言

深度残差网络（Deep residual network, ResNet）的提出是CNN图像史上的一件里程碑事件，让我们先看一下ResNet在ILSVRC和COCO 2015上的战绩：

ResNet取得了5项第一，并又一次刷新了CNN模型在ImageNet上的历史,

ImageNet分类Top-5误差：

那么ResNet为什么会有如此优异的表现呢？其实ResNet是解决了深度CNN模型难训练的问题，从图2中可以看到14年的VGG才19层，而15年的ResNet多达152层，这在网络深度完全不是一个量级上，所以如果是第一眼看这个图的话，肯定会觉得ResNet是靠深度取胜。事实当然是这样，但是ResNet还有架构上的技巧，这才使得网络的深度发挥出作用，这个技巧就是残差学习（Residual learning）。

• 论文名称：Deep Residual Learning for Image Recognition
• 论文作者：Kaiming He, Xiangyu Zhang, Shaoqing Ren, Jian Sun

二、深度网络的退化问题

从经验来看，网络的深度对模型的性能至关重要，当增加网络层数后，网络可以进行更加复杂的特征模式的提取，所以当模型更深时理论上可以取得更好的结果，

在深度学习中，网络层数增多一般会伴着下面几个问题

2. 计算资源的消耗
3. 模型容易过拟合
4. 梯度消失/梯度爆炸问题的产生

• 问题1可以通过GPU集群来解决，对于一个企业资源并不是很大的问题；
• 问题2的过拟合通过采集海量数据，并配合Dropout正则化等方法也可以有效避免；
• 问题3通过Batch Normalization也可以避免。
  貌似我们只要无脑的增加网络的层数，我们就能从此获益，但实验数据给了我们当头一棒。实验发现深度网络出现了退化问题（Degradation problem）：网络深度增加时，网络准确度出现饱和，甚至出现下降。这个现象可以在下图中直观看出来：
  56层的网络比20层网络效果还要差。这不会是过拟合问题，因为56层网络的训练误差同样高。我们知道深层网络存在着梯度消失或者爆炸的问题，这使得深度学习模型很难训练。但是现在已经存在一些技术手段如BatchNorm来缓解这个问题。因此，出现深度网络的退化问题是非常令人诧异的。

当网络退化时，浅层网络能够达到比深层网络更好的训练效果，这时如果我们把低层的特征传到高层，那么效果应该至少不比浅层的网络效果差，或者说如果一个VGG-100网络在第98层使用的是和VGG-16第14层一模一样的特征，那么VGG-100的效果应该会和VGG-16的效果相同。但是实验结果表明，VGG-100网络的训练和测试误差比VGG-16网络的更大。这说明A网络在学习恒等映射的时候出了问题，也就是​​传统的网络（"plain" networks）很难去学习恒等映射。​​也就是说，我们不得不承认肯定是目前的训练方法有问题，才使得深层网络很难去找到一个好的参数。

所以，我们可以在VGG-100的98层和14层之间添加一条直接映射（Identity Mapping）来达到此效果。

从信息论的角度讲，由于DPI（数据处理不等式）的存在，在前向传输的过程中，随着层数的加深，Feature Map包含的图像信息会逐层减少，而ResNet的直接映射的加入，保证了 l+1层的网络一定比 l 层包含更多的图像信息。

基于这种使用直接映射来连接网络不同层直接的思想，残差网络应运而生。

三、残差学习

3.1 残差网络原理

对于一个堆积层结构（几层堆积而成）当输入为x时其学习到的特征记为H (x)，现在我们希望其可以学习到残差F(x)= H(x) - x，这样其实原始的学习特征是H(x)= F(x) + x。之所以这样是因为残差学习相比原始特征直接学习更容易。当残差为0时，此时堆积层仅仅做了恒等映射，至少网络性能不会下降，实际上残差不会为0，这也会使得堆积层在输入特征基础上学习到新的特征，从而拥有更好的性能。残差学习的结构如下图所示。这有点类似与电路中的“短路”，所以是一种短路连接（shortcut connection）。

• 改变前目标： 训练F(x) 逼近 H(x)
• 改变后目标：训练 F(x)逼近H(x) - x
  

上图中，左边的original block需要调整其内部参数，使得输入的x经过卷积操作后最终输出的F(x)等于x，即实现了恒等映射F(x)=x，等号左边是block的输出，右边是block的输入。但是这种结构的卷积网络很难调整其参数完美地实现F(x)=x。再看右边的Res block。因为shortcut的引入，整个block的输出变成了F(x)+x，block的输入还是x。此时网络需要调整其内部参数使得F(x)+x=x，也就是直接令其内部的所有参数为0，使得F(x)=0，F(x)+x=x就变成了0+x = x，等号左边是block的输出，右边是block的输入。输出等于输入，即完美地完成了恒等映射。

3.2 ResNet结构为什么可以解决深度网络退化问题？

因为ResNet更加容易拟合恒等映射，原因如下：

ResNet的结构使得网络具有与学习恒等映射的能力，同时也具有学习其他映射的能力。因此ResNet的结构要优于传统的卷积网络（plain networks）结构。

3.3 残差单元

由于ResNet要求 F(x)与 x 的维度大小要一致才能够相加，因此在 F(x) 与 x 维度不相同时就需要对 x 的维度做调整。

ResNet使用两种残差单元，如下图所示。左图对应的是浅层网络，而右图对应的是深层网络。对于短路连接，当输入和输出维度一致时，可以直接将输入加到输出上。但是当维度不一致时（对应的是维度增加一倍），这就不能直接相加。有两种策略：

（A方式）采用zero-padding增加维度，此时一般要先做一个downsamp，可以采用strde=2的pooling，这样不会增加参数；

（B方式）采用新的映射（projection shortcut），一般采用1x1的卷积，这样会增加参数，也会增加计算量。

A方式采用0填充.，完全不存在任何的残差学习能力。

B方式的模型复杂度偏高

因此论文中采用折中的C方式

C方式在F(x)的维度与 x的维度相同时，直接用 F(x) 加上 x，在维度不同时，才采用1x1的卷积层对 x 的维度进行调整。

def identity_block(input_tensor, kernel_size, filters, stage, block):
"""The identity block is the block that has no conv layer at shortcut. A方式

    # Arguments
        input_tensor: input tensor
        kernel_size: defualt 3, the kernel size of middle conv layer at main path
        filters: list of integers, the filters of 3 conv layer at main path
        stage: integer, current stage label, used for generating layer names
        block: 'a','b'..., current block label, used for generating layer names

    # Returns
        Output tensor for the block.
    """
filters1, filters2, filters3 = filters
if K.image_data_format() == 'channels_last':
bn_axis = 3
else:
bn_axis = 1
conv_name_base = 'res' + str(stage) + block + '_branch'
bn_name_base = 'bn' + str(stage) + block + '_branch'

x = Conv2D(filters1, (1, 1), name=conv_name_base + '2a')(input_tensor)
x = BatchNormalization(axis=bn_axis, name=bn_name_base + '2a')(x)
x = Activation('relu')(x)

x = Conv2D(filters2, kernel_size,
padding='same', name=conv_name_base + '2b')(x)
x = BatchNormalization(axis=bn_axis, name=bn_name_base + '2b')(x)
x = Activation('relu')(x)

x = Conv2D(filters3, (1, 1), name=conv_name_base + '2c')(x)
x = BatchNormalization(axis=bn_axis, name=bn_name_base + '2c')(x)

x = layers.add([x, input_tensor])
x = Activation('relu')(x)
return x

def conv_block(input_tensor, kernel_size, filters, stage, block, strides=(2, 2)):
"""conv_block is the block that has a conv layer at shortcut
    B方式
    # Arguments
        input_tensor: input tensor
        kernel_size: defualt 3, the kernel size of middle conv layer at main path
        filters: list of integers, the filterss of 3 conv layer at main path
        stage: integer, current stage label, used for generating layer names
        block: 'a','b'..., current block label, used for generating layer names

    # Returns
        Output tensor for the block.

    Note that from stage 3, the first conv layer at main path is with strides=(2,2)
    And the shortcut should have strides=(2,2) as well
    """
filters1, filters2, filters3 = filters
if K.image_data_format() == 'channels_last':
bn_axis = 3
else:
bn_axis = 1
conv_name_base = 'res' + str(stage) + block + '_branch'
bn_name_base = 'bn' + str(stage) + block + '_branch'

x = Conv2D(filters1, (1, 1), strides=strides,
name=conv_name_base + '2a')(input_tensor)
x = BatchNormalization(axis=bn_axis, name=bn_name_base + '2a')(x)
x = Activation('relu')(x)

x = Conv2D(filters2, kernel_size, padding='same',
name=conv_name_base + '2b')(x)
x = BatchNormalization(axis=bn_axis, name=bn_name_base + '2b')(x)
x = Activation('relu')(x)

x = Conv2D(filters3, (1, 1), name=conv_name_base + '2c')(x)
x = BatchNormalization(axis=bn_axis, name=bn_name_base + '2c')(x)

shortcut = Conv2D(filters3, (1, 1), strides=strides,
name=conv_name_base + '1')(input_tensor)
shortcut = BatchNormalization(axis=bn_axis, name=bn_name_base + '1')(shortcut)

x = layers.add([x, shortcut])
x = Activation('relu')(x)
return x

3.4 ResNet的网络结构

ResNet网络是参考了VGG19网络，在其基础上进行了修改，并通过短路机制加入了残差单元，如下图所示。变化主要体现在ResNet直接使用stride=2的卷积做下采样，并且用global average pool层替换了全连接层。ResNet的一个重要设计原则是：当feature map大小降低一半时，feature map的数量增加一倍，这保持了网络层的复杂度。从下图中可以看到，ResNet相比普通网络每两层间增加了短路机制，这就形成了残差学习，其中虚线表示feature map数量发生了改变。下图展示的34-layer的ResNet，还可以构建更深的网络如表1所示。从表中可以看到，对于18-layer和34-layer的ResNet，其进行的两层间的残差学习，当网络更深时，其进行的是三层间的残差学习，三层卷积核分别是1x1，3x3和1x1，一个值得注意的是隐含层的feature map数量是比较小的，并且是输出feature map数量的1/4。

四、实验结果

作者搭建了不同深度的ResNet模型进行了实验，结果如上图所示。ResNet在ImageNet上的错误率与网络的深度是线性关系，网络越深，错误率越低。说明在一定ResNet的网路结构解决之前所说的网络退化的问题。

这是作者在CIFAR-10上的实验结果，这里使用的shortcut是A方式，可以看出来在相同深度下ResNet的参数量远远小于其他网络，这也使得我们在训练和预测模型的时候计算比较快。作者还尝试训练了1202层的ResNet，但是最终结果并没有110层的效果好，作者分析可能是因为过拟合的原因。作者还将ResNet用于Faster-RCNN中，获得了2015年COCO的detection的冠军。

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