GoogLeNet是2014年Christian Szegedy提出的一种全新的
深度学习结构,在这之前的AlexNet、VGG等结构都是通过增大网络的深度(层数)来获得更好的训练效果,但层数的增加会带来很多负作用,比如overfit、梯度消失、梯度爆炸等。inception的提出则从另一种角度来提升训练结果:能更高效的利用计算资源,在相同的计算量下能提取到更多的特征,从而提升训练结果。
结构介绍
inception模块的基本机构如图1,整个inception结构就是由多个这样的inception模块串联起来的。inception结构的主要贡献有两个:一是使用1x1的卷积来进行升降维;二是在多个尺寸上同时进行卷积再聚合。
1x1卷积
作用1:在相同尺寸的感受野中叠加更多的卷积,能提取到更丰富的特征。这个观点来自于Network in Network,图1里三个1x1卷积都起到了该作用。
图2左侧是是传统的卷积层结构(线性卷积),在一个尺度上只有一次卷积;图2右图是Network in Network结构(NIN结构),先进行一次普通的卷积(比如3x3),紧跟再进行一次1x1的卷积,对于某个像素点来说1x1卷积等效于该像素点在所有特征上进行一次全连接的计算,所以图2右侧图的1x1卷积画成了全连接层的形式,需要注意的是NIN结构中无论是第一个3x3卷积还是新增的1x1卷积,后面都紧跟着激活函数(比如relu)。将两个卷积串联,就能组合出更多的非线性特征。举个例子,假设第1个3x3卷积+激活函数近似于f1(x)=ax2+bx+c,第二个1x1卷积+激活函数近似于f2(x)=mx2+nx+q,那f1(x)和f2(f1(x))比哪个非线性更强,更能模拟非线性的特征?答案是显而易见的。NIN的结构和传统的神经网络中多层的结构有些类似,后者的多层是跨越了不同尺寸的感受野(通过层与层中间加pool层),从而在更高尺度上提取出特征;NIN结构是在同一个尺度上的多层(中间没有pool层),从而在相同的感受野范围能提取更强的非线性。
作用2:使用1x1卷积进行降维,降低了计算复杂度。图2中间3x3卷积和5x5卷积前的1x1卷积都起到了这个作用。当某个卷积层输入的特征数较多,对这个输入进行卷积运算将产生巨大的计算量;如果对输入先进行降维,减少特征数后再做卷积计算量就会显著减少。图3是优化前后两种方案的乘法次数比较,同样是输入一组有192个特征、32x32大小,输出256组特征的数据,图3第一张图直接用3x3卷积实现,需要192x256x3x3x32x32=452984832次乘法;图3第二张图先用1x1的卷积降到96个特征,再用3x3卷积恢复出256组特征,需要192x96x1x1x32x32+96x256x3x3x32x32=245366784次乘法,使用1x1卷积降维的方法节省了一半的计算量。有人会问,用1x1卷积降到96个特征后特征数不就减少了么,会影响最后训练的效果么?答案是否定的,只要最后输出的特征数不变(256组),中间的降维类似于压缩的效果,并不影响最终训练的结果。
多个尺寸上进行卷积再聚合
图2可以看到对输入做了4个分支,分别用不同尺寸的filter进行卷积或池化,最后再在特征维度上拼接到一起。这种全新的结构有什么好处呢?Szegedy从多个角度进行了解释:
解释1:在直观感觉上在多个尺度上同时进行卷积,能提取到不同尺度的特征。特征更为丰富也意味着最后分类判断时更加准确。
解释2:利用稀疏矩阵分解成密集矩阵计算的原理来加快收敛速度。举个例子图4左侧是个稀疏矩阵(很多元素都为0,不均匀分布在矩阵中),和一个2x2的矩阵进行卷积,需要对稀疏矩阵中的每一个元素进行计算;如果像图4右图那样把稀疏矩阵分解成2个子密集矩阵,再和2x2矩阵进行卷积,稀疏矩阵中0较多的区域就可以不用计算,计算量就大大降低。这个原理应用到inception上就是要在特征维度上进行分解!传统的卷积层的输入数据只和一种尺度(比如3x3)的卷积核进行卷积,输出固定维度(比如256个特征)的数据,所有256个输出特征基本上是均匀分布在3x3尺度范围上,这可以理解成输出了一个稀疏分布的特征集;而inception模块在多个尺度上提取特征(比如1x1,3x3,5x5),输出的256个特征就不再是均匀分布,而是相关性强的特征聚集在一起(比如1x1的的96个特征聚集在一起,3x3的96个特征聚集在一起,5x5的64个特征聚集在一起),这可以理解成多个密集分布的子特征集。这样的特征集中因为相关性较强的特征聚集在了一起,不相关的非关键特征就被弱化,同样是输出256个特征,inception方法输出的特征“冗余”的信息较少。用这样的“纯”的特征集层层传递最后作为反向计算的输入,自然收敛的速度更快。
解释3:Hebbin赫布原理。Hebbin原理是神经科学上的一个理论,解释了在学习的过程中脑中的神经元所发生的变化,用一句话概括就是fire togethter, wire together。赫布认为“两个神经元或者神经元系统,如果总是同时兴奋,就会形成一种‘组合’,其中一个神经元的兴奋会促进另一个的兴奋”。比如狗看到肉会流口水,反复刺激后,脑中识别肉的神经元会和掌管唾液分泌的神经元会相互促进,“缠绕”在一起,以后再看到肉就会更快流出口水。用在inception结构中就是要把相关性强的特征汇聚到一起。这有点类似上面的解释2,把1x1,3x3,5x5的特征分开。因为训练收敛的最终目的就是要提取出独立的特征,所以预先把相关性强的特征汇聚,就能起到加速收敛的作用。
在inception模块中有一个分支使用了max pooling,作者认为pooling也能起到提取特征的作用,所以也加入模块中。注意这个pooling的stride=1,pooling后没有减少数据的尺寸。