[人工智能]GoogLeNet

GoogLeNet

论文链接：https://arxiv.org/abs/1409.4842

介绍

GoogLeNet 在 2014 年由 Google 团队提出，斩获当年 lmageNet 竞赛中 Classification Task (分类任务)第一名。L 大写是为了致敬 LeNet 。

网络中的亮点：

• 引入了 Inception 结构（融合不同尺度的特征信息)
• 使用 $1\times 1$ 的卷积核进行降维以及映射处理
• 添加两个辅助分类器帮助训练
• 丢弃全连接层，使用平均池化层(大大减少模型参数)

在 AlexNet 和 VGG 中都只有一个输出层，GoogLeNet 有三个输出层（其中两个辅助分类层）。

如图 1 所示，**最上方的黄色为主分类器，下方的两个为辅助分类器。**图中的 LRN 操作在此支撑之前被证实过无效，故代码可以不使用。

第 $1$ 列：名称；第 $2$ 列：参数（卷积核大小和布局）；第 $3$ 列：输出的特征矩阵的维度；第 $5\to 9$ 列：Inception结构配置的个数（如图 $3$）；

Inception结构

（a）通过为 $1\times 1$ 的卷积层，$3\times 3$ 的卷积层，$5\times 5$ 的卷积层和 $3\times 3$ 的最大池化层并行的结构。
（b）在（a）的基础上加入了 $3$ 个 $1\times 1$ 的卷积层（该卷积层的作用为降维）。
注：每个分支所得的特征矩阵的高和宽必须相同。

示例：

输入通道数为512，只使用 64 个 $5\times 5$ 的卷积核进行卷积：参数数量为：$5\times 5\times 512\times 64=819200$

输入通道数为512，先使用 24 个 $1\times 1$ 的卷积核进行卷积，再使用 64 个 $5\times 5$ 的卷积核进行卷积：参数数量为：
第一步：$1\times 1\times 512\times 24=12288$
第二步：$5\times 5\times 24\times 64=38400$
总计：$12288+38400=50688<819200$

从示例可以知道，通过使用 $1\times 1$ 的卷积核有效的减少了模型的参数。

辅助分类器（Auxiliary Classifier）

The exact structure of the extra network on the side, including the auxiliary classifier, is as follows:

• An average pooling layer with $5\times 5$ filter size and stride $3$, resulting in an $4\times 4\times 512$ output for the ($4a$), and $4\times 4\times 528$ for the ($4d$) stage.
• A $1\times 1$ convolution with $128$ filters for dimension reduction and rectified linear activation.
• A fully connected layer with $1024$ units and rectified linear activation.
• A dropout layer with $70$ ratio of dropped outputs.
• A linear layer with softmax loss as the classifier (predicting the same $1000$ classes as themain classifier, but removed at inference time).

以上是原论文中对辅助分类器的描述。

根据原论文和论文中辅助分类的描述（ 如图 $5$ ），我们可以得到：

• 首先，使用了一个平均池化层（Average Pooling Layer）：池化核（filter size）大小为 $5\times 5$ ，步距（stride）为 $3$ 。
  对于Inception 4a 的特征矩阵的维度是 $14\times 14\times 512$ ，Inception 4d 的特征矩阵的维度是 $14\times 14\times 528$ 。通过上方的平均池化层输入为 $4\times 4\times 512$ ($4a$) 、 $4\times 4\times 528$ ($4d$) 。
• 接着，使用了 $128$ 个 $1\times 1$ 卷积核的卷积层，目的是降维，并且使用了 ReLU 激活函数。
• 其次，使用了一个 $1024$ 个单位的全连接层，并且使用了 ReLU 激活函数。
• 再次，释放 $70\%$ 的神经元，再输出。
• 最后，一个线性层并且使用了 softmax 函数（ ImageNet 中是 $1000$ 个类别）。

对比

最后我们对比 VGG 和 GoogLeNet ,我们发现 GoogLeNet 的模型参数更少，但搭建较为复杂，所以很多论文仍使用 VGG 。