[人工智能]经典模型——ResNet

Introduction

深度卷积神经网络的好处在于其层比较多，每一层都能捕捉不同的信息。从低级的视觉特征到高级的语义特征。

但是层这么多是一件好事吗？

显然不是，随着网络层次的加深，会出现梯度爆炸与梯度消失。

常见的解决方案是好的初始化或者加入BN层。

然而，虽然做了这些操作之后，模型收敛了，但是精度却下降了。这也不是过拟合造成的，因为训练误差和测试误差都上升了。如下图所示。

进一步思考：按理来说，如果我浅层网络性能比较好的话，深层网络的性能不应该下降的。因为至少可以让新加的层成为一个identity mapping（恒等映射）。但是，简单的SGD是做不到的。

因此，该文章提出了deep residual learning framework，保证网络的性能不会随着深度的增加而变差，这相当于显式地构造出一个identity mapping。

核心思想：假设模型的输出是$H(x)$，但是我不让模型直接学$H(x)$，而是去学习$H(x)?x$，我我们记为$F(x)$。最后的输出就是$F(x)+x$。我们将$F(x)$称为残差。直观地来讲，就是不要去学习怎么得到H(x)，而是去学习已经学习到的东西和真实的东西之间的残差。

优势在于：模型复杂度不会提升；计算量不会增加。

通过实验证明：plain版本效果差一些（没有residual/shortcut connection）；随着深度的增加，性能也会提升。

Deep Residual Learning

上图是四个版本的ResNet的结构。可以看到50layer及以上的版本和18、34的版本的结构有所差别，这是因为随着网络层数的加深，我们希望通道数能增加，因为深度意味着可以学到更多的东西，但考虑到随之带来的参数量的增加，所以构造一个bottleneck的结构，通过1x1卷积实现通道的压缩与恢复。

模型中采用了BN层、数据增广来提升模型的泛化性能，但是没有用dropout，因为不包含全连接层。

那么残差连接如何处理输入输出形状不同的情况呢？

第一个方案是在输入和输出上分别添加一些额外的0，使得两者的形状能够对应起来；
第二个方案是用1x1卷积进行投影。

Experiments

这个图展示的是18和34版本在有无residual connection的区别。指的说明的有：

1. 最开始训练误差要比测试误差大，这是数据增强导致的结果；
2. 每一次突然的下降都是因为学习率的降低。现在一般不采用乘0.1的手段，因为时机难以掌握，乘得太早会导致后期收敛无力；
3. 这个实验说明的是有残差连接后收敛速度快了、性能也相对更好了；

为什么ResNet训练起来速度快？

梯度消失的原因是因为随着网络的加深，链式法则将很多非常小的数相乘，使得梯度下降法减去一个近乎为0的值，当然，要是陷入了局部最优的位置，都不用深层网络，梯度就很容易消失；

但是ResNet的话，好处在于在原有基础上加了一个浅层网络的梯度，这样深层的梯度虽然小了，但是浅层的还是比较大的，所以从数学上来看，梯度不会轻易消失。

所谓的模型复杂度降低了不是说不能够表示别的东西了，而是能够找到一个不那么复杂的模型去拟合数据，就如作者所说，不加残差连接的时候，理论上也能够学出一个有一个identity的东西（不要后面的东西），但是实际上做不到，因为没有引导整个网络这么走的话，其实理论上的结果它根本过不去，所以一定是得手动的把这个结果加进去，使得它更容易训练出一个简单的模型来拟合数据的情况下，等价于把模型的复杂度降低了。（摘录自此处）