说在前面

  • 上一篇文章中，我们详细说了CNN的主要结构组成和训练原理，今天我们来回顾一下CNN的网络模型发展史，主要学习CNN是如何被提出来？网络结构如何进化？每一次改进解决的问题？等等，这对理解网络模型有很好的帮助，并且在我的毕业设计中可以根据数据合理选取网络模型。

  • 在1998年前的CNN发展史这篇博客 http://www.lunarnai.cn/2018/07/03/Brief_history_CNN/ 已经叙述的很详尽了，有兴趣的可以看一下，基本上是如何从动物中获取灵感构建计算机的神经网络模型，下面我只阐述重大的CNN模型突破节点。

1. LeNet-5 (1998)

  • 原文链接：http://axon.cs.byu.edu/~martinez/classes/678/Papers/Convolution_nets.pdf Gradient-Based Learning Applied to Document Recognition.

  • LeCun同志可以说是CNN的开山鼻祖，1998年他提出了长达46页的巨作——LeNet-5模型，其模型结构如下图所示：

    image-20210405171842663

    LeNet-5模型一共有7层，卷积层-池化层-卷积层-池化层-3个全连接层，为什么叫LeNet-5呢，因为当时默认卷积层包括卷积+池化，所以等价于2个卷积层+3个全连接层，一共5层。当时主要用LeNet-5进行邮件上的手写邮政编码数字识别，取得了不错的效果。

    此外LeNet-5还有一些有趣的细节，一个是使用了tanh作为激活函数，这里作者表示对称的激活函数能够更快收敛，，这里不用ReLU的原因可能在于98年的时候，网络的深度还不太深，因此梯度消失不是一个太大的问题，而相比之下加速收敛的性质更加重要。

    此外论文在附录对比了随机梯度下降和批梯度下降 ，指出随机梯度下降以及mini-bath SGD能够极大加快拟合速度，并且最终效果很好。

    优点：这种网络当时提出来成为了CNN标准的“模板”——叠加卷积层和池化层，并以一个全连接层结束网络。

    缺点：当时一段时间并未火起来，原因在于当时历史背景，这个简单的网络仅有6000多个参数，但训练起来费时且没有GPU加速，相比较于传统的SVM等算法，效率还是差了许多，所以并没有大放异彩。

2. AlexNet (2012)

  • 可以看到硬件跟不上，1998年到2012年中间十多年没有新的CNN网络提出来，但是在2006年，研究人员成功利用GPU加速了CNN，相比CPU实现快了4倍，可以说是一个大的突破，也为12年的AlexNet打下了良好的基础。

  • 原文链接：https://papers.nips.cc/paper/4824-imagenet-classification-with-deep-convolutional-neural-networks.pdf ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks.

  • 相比于LeNet-5，AlexNet仅仅多堆叠了卷积层，一共有8个网络层，网络模型如下图所示：

    image-20210405174059025

    这个图看上去有点费劲，转换一下就是下面这幅图：

    由卷积层-池化层-卷积层-池化层-3个卷积层-池化层-3个全连接层组成。整体来看除了卷积层增多了，没有大的改变。

    创新点：

    1. 使用ReLu激活函数，不容易发生梯度消失问题。
    2. 对输入的数据进行了数据增强处理。（水平变换、光照增强、随机裁剪、平移变换等等）
    3. 首次使用Dropout防止过拟合。
    4. 采用两块GPU并行计算，最上面那张图就是每一层分两块进行计算，所以看着比较繁琐，这里也是由于GPU不是很好，所以要两块并行。

3. VGG (2014)

  • 原文链接：https://arxiv.org/pdf/1409.1556.pdf VERY DEEP CONVOLUTIONAL NETWORKS FOR LARGE-SCALE IMAGE RECOGNITION.

  • VGG 提出了几种网络模型分别是 VGG13、VGG16、VGG19，他们的网络结构如下图所示：

    相比AlexNet，仅仅是堆叠了更多的卷积层、池化层，整体来看和文章名字一样Very Deep。下图是VGG19的具体结构图：

    在VGG中也是引入了1×1的卷积核，可以改变输出的维度。

4. GoogLeNet (2015)

  • 论文链接：https://arxiv.org/pdf/1409.4842.pdf Going deeper with convolutions.

  • GoogLeNet (网络没有最深，只有更深)，这里名字起的很好，致敬了LeNet，这真的只是巧合吗？？？GoogLeNet 引入了新的网络结构Inception-v1，也是“Network in Network”，（Inception得名于2010年由莱昂纳多·迪卡普里奥主演的科幻电影《盗梦空间》）。

  • Inception的网络模型如下图所示：

    使用不同的卷积并行拓扑结构，然后进行连接，获得1×1、3×3、5×5卷积提取的不同特征，然后对他们进行归并融合；采用1×1的卷积进行降维，消除计算瓶颈，作者还引入了两个辅助分类器，使分类器在较浅层的网络也进行识别，增加反向传播的梯度信息。

  • 后来Inception也有了V2、V3、V4版本，论文连接如下，感兴趣的同学可以了解一下。

    https://arxiv.org/pdf/1502.03167.pdf Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training b y Reducing Internal Covariate Shift

    https://arxiv.org/pdf/1512.00567.pdf Rethinking the Inception Architecture for Computer Vision

    https://arxiv.org/pdf/1602.07261.pdf Inception-v4, Inception-ResNet and the Impact of Residual Connections on Learning

5. ResNet (2015)

  • 论文链接：https://arxiv.org/pdf/1512.03385.pdf Deep Residual Learning for Image Recognition.

  • ResNet 叫深度残差网络，是由中国广东的何凯明大神在2015年CVPR上提出来的，并且一经出世，就在ImageNet中斩获图像分类、检测、定位三项冠军！这篇论文的影响力可以说是非常巨大，后面的几乎所有的CNN论文都引用的这篇ResNet。（我的毕业设计也采用的ResNet网络模型）；这篇论文也是突破了一个瓶颈，解决了CNN网络深度的重大问题(稍后解释)，总之，我觉得这篇论文的影响力十分巨大，相比之前CNN模型的进化(仅仅是网络深度)，ResNet是质的改变！

  • ResNet提出前发现的问题？

    在之前的经验来看，从LeNet到AlexNet再到VGG、GoogLeNet，网络深度不断增加，模型性能越来越好，那么就想：是否网络深度不断增加，性能会一直增加？但实验结果发现，深度网络中存在着退化问题，如下图所示：56层的网络比20层的网络训练效果还差

    image-20210407110009997

    这种情况并不是发生了过拟合，过拟合是训练误差小而测试误差大，而上面的图片显示训练误差和测试误差56层的网络都大。

  • 造成这样不符合常理的现象原因是？

    随着网络深度的增加，反向传播的梯度也在逐渐减小，这就是所谓的梯度消失现象，网络越深，反向传播的梯度会越来越小，导致梯度下降更慢，浅层的网络不能够更新梯度，训练没有突破。

  • 解决办法？——“short cut” or “skip connection” or “resNet”

    话不多说直接上图，ResNet提出了一种新的结构解决了上述梯度消失的问题，下面是基本结构单元：

    在正常的卷积层旁边加了一条短接线short cut，也就是常说的skip connection，假设正常卷积层输出是F(x)，旁边输出是x，则最终两条路线相加为h(x) = F(x) + x，得到的h(x)再传到下一层，当反向传播时，下面来自深层网络传回来的梯度假设为1，经过一个加法门，通过短接线传到上面的梯度也为1，这样就可以将深层的梯度直接畅通无阻地传到上一层，使得浅层地网络参数得到训练，解决了梯度消失的问题。

  • 下面是与VGG的网络结构对比图

    这里说明一下ResNet中的虚线和实线的区别：实际上ResNet有两个基本的block，一个是Identity Block输入和输出的维度是一样的，也就是实线所表示的，它可以串联多个；另外一个block是Conv Block，输入和输出的维度是不一样的，所以不能直接串联，要在短接线处加一个1×1的卷积层，改变维度使得两条路径的维度一致。（随着网络深度增加，channel也增加）具体的结构如下图所示：

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  • 这样作者通过构建不同卷积核的个数，以及组合模式，给出了以下几种ResNet的结构模型：

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  • ResNet特点：残差网络在模型表征方面并不存在直接的优势，ResNets并不能更好的表征某一方面的特征，但是ResNets允许逐层深入地表征更多的模型。

    残差网络使得前馈式/反向传播算法非常顺利进行，在极大程度上，残差网络使得优化较深层模型更为简单。

    “shortcut”快捷连接添加既不产生额外的参数，也不会增加计算的复杂度。快捷连接简单的执行身份映射，并将它们的输出添加到叠加层的输出。通过反向传播的SGD，整个网络仍然可以被训练成终端到端的形式。

以上是我目前了解到的网络模型，下面的网络模型是近几年的，也分别给出了论文和解析链接：

6. Xception (2016)

7. Inception-ResNet-v2 (2016)

8. ResNeXt-50 (2017)

9. Inception v1 - v4 Inception-ResNet

结尾

  • 以上就是CNN的网络模型发展史，后面的几个模型我也没有深入研究，因为我做的毕业设计就是用的ResNet，所以后面会重点说ResNet的实现过程。
  • 其次一些目标检测的模型在这里没有提及，比如Fast-RCNN、SSD、YOLO V1-V3等等，后期会专门介绍一篇目标检测的框架算法进化史。