[人工智能]【详解】GoogleNet Inception V1

【论文】Szegedy C , Liu W , Jia Y , et al. Going Deeper with Convolutions[J]. 2014.（pdf）

【新颖点】

• 保证算力的情况下增加宽度和深度
• 宽度：利用 Inception 结构同时执行多个网络结构
• 深度：利用辅助分类器防止梯度消失

Inception V1

我们先说一下为什么要提出 Inception

在早期，大家都尽可能的想加深加宽网络，但是一味的增加还是有很多问题：

• 参数越多，计算复杂复杂度越大
• 网络越深，越容易出现梯度弥散的问题

于是，Google 研究人员提出了 Inception 的方法——将多个卷积或池化操作放在一起组装成一个网络模块，设计神经网络时以模块为单位去组装整个网络。Inception 的主要思路是怎样用密集成分来近似最优的局部稀疏结构，于是作者首先提出了如下图所示的基本结构

1. 采用不同带下的卷积核意味着不同大小的感受野，最后通过拼接将不同程度的特征进行融合
2. 卷积核采用 1、3 和 5，主要是为了方便对齐。设定卷积步长为 1 之后只要分别设定 padding 为 0、1、2 就好了，卷积之后便可以得到相同维度的特征
3. 介于 pooling 的表项不错，Inception 中嵌入了对应的模块
4. 网络越往后走，特征越家抽象，而且每个特征所设计的感受野也更大了，因此随着层数的增加，$3\times 3$ 和 $5\times 5$ 卷积核的比例也要增加

但是这种叠加不可避免的使得 Inception 模块的输出通道数增加，这就增加了 Inception 模块中每个卷积的计算量，尤其达到网络的后面。为此，作者采用了 $1\times 1$ 卷积核来进行降维，改进后的 Inception 模块如下

值得注意的是 $1\times 1$ 卷积的位置

• $1\times 1$ 卷积是在最大池化层之后，而不是之前，因为池化层是为了提取图像的原始特征而存在，一旦它接在 $1\times 1$ 卷积之后就失去了最初的本意
• 对于 $3\times 3$ 和 $5\times 5$ 卷积，$1\times 1$ 卷积在他们之后，原因是如果反过来则起不到降维的作用

网络结构

Inception V1 是一个 22 层的深度网络，如果考虑池化层的话是 29 层。网络具有三组 Inception 模块，分别为

• inception(3a) / inception(3b)
• inception(4a) / inception(4b) / inception(4c) / inception(4d) / inception(4e)
• inception(5a) / inception(5b)

三组 Inception 模块被池化层分隔

关于整个网络结构，我们给出下面几点说明，

• 网络最后采用了 average pooling 来替代全连接层，该想法来自 NIN，事实证明这样可以提高 0.6% 的准确率
• 虽然移除了尾部过多的全连接层，但是网络中依然使用了 Dropout（在 avg pooling 之后，FC 之前）
• 为了缓解梯度消失的问题，网络额外增加了 2 个辅助的 softmax 分类器用于向前传导梯度，我们将这两个称为辅助分类器。辅助分类器是将中间某一层的输出用作分类，并按一个较小的权重（0.3）加到最终分类器中，这样就相当于做了模型融合，同时给网络增加了反向传播的梯度信号

我们以 inception(3a) 为例子解释一下网络的参数

辅助分类器

在 inception(4a) 和 inception(4d) 之后分别有两个辅助分类器，它们具有相同的结构：

• $5\times 5$、步长为 $3$ 的平均池化层
• $1\times 1$、输出通道为 $128$ 的卷积层
• $1024$ 个神经元的全连接层
• $70\%$ Dropout 的全连接层
• softmax 层

在训练期间，两个辅助分类器的损失函数的权重是 0.3，它们的损失被叠加到网络的整体损失上。在测试时，这两个辅助分类器丢弃不用