经典网络解读

论文：Improved Residual Networks for Image and Video Recognition（2020.4）
作者：Ionut Cosmin Duta, Li Liu, Fan Zhu, Ling Shao
链接：https://arxiv.org/abs/2004.04989
代码：https://github.com/iduta/iresnet

文章目录

1、算法概述
2、前置知识-ResNet
3、IResNet细节
- 3.1 Improved information flow through the network
- 3.2 Improved projection shortcut
- 3.3 Grouped building block
4、实验

1、算法概述

IResnet是对Resnet进行改进的算法，作者从三个部分进行优化改进：1、网络中的信息流；2、残差子模块设计；shortcut连接方式；作者通过在以上三部分做出改进，使得IResnet的准确性和学习收敛性方面显示出比较大的提升。具体来说，对于分类任务，同样模型复杂度下，超出Resnet-50 1.19%的top1准确率。对于Resnet网络，训练非常深的网络，例如400层或者500层，会出现严重的优化问题，但是作者提出的网络结构可以实现训练非常深的网络结构。最终，作者建立了404层的卷积神经网络用于训练ImageNet数据集，3002层卷积神经网络训练CIFAR-10和CIFAR-100。

2、前置知识-ResNet

Resnet由大量的残差模块(blocks)组成，它的核心就是在模块中加入恒等映射(the identity mapping)用来使得网络学习更加容易。恒等映射是通过使用shortcut/skip connection来实现的：将block的输入添加到其学习输出中。理论上，网络可以自己学习自身的映射，不需要这些捷径。然而，在实践中，优化器学习恒等映射并不容易。这被称为退化问题。Resnet论文实验指出，较深的网络甚至比较浅的网络精度反而更差，与理论上严重不符合，而这个原因就是网络的退化问题造成的。Resnet的提出缓解了部分网络退化问题，但没有完全解决；例如当Resnet深度从152增加到200时，ImageNet上分类结果变差，优化困难，这表明，当层数增加时，ResNet仍然会损害信息通过网络的传播。

在Resnet中，当前后block输入尺度不一致时，就会采用projection shortcut。可见projection shortcut在Resnet处理网络退化问题中没有充当重要角色。 然而，作者认为projection shortcut在网络架构中扮演着重要的角色，因为它们存在于主要的信息传播路径上，因此很容易干扰信号或造成信息丢失。作者通过引入改进版本的projection shortcut，在不增加参数的情况下能带来非常大的提升。在原始Resnet中，瓶颈模块用来控制网络的参数量，模块中只有卷积负责学习空间特征，所以通道数量非常重要，通道数量越多，学习的特征越丰富， 作者通过改进，通道可以扩大到原始版本的4倍。
所以，相对于原始ResNet，作者改进：
1、提出一种基于stage的残差学习网络结构。所提出的方法通过为信息在网络层之间传播提供更好的路径，从而促进了网络优化。
2、提出了一种改进的projection shortcut，减少了信息丢失，提供了更好的结果。
3、提出了一个block，能学习更强大的空间特征。
4、提出的网络结构能在各个数据集中相对于基准Resnet结果都得到了提升。

3、IResNet细节

3.1 Improved information flow through the network

Resnet由很多个残差模块构成，残差模块可以由下图(a)所示：
在这里插入图片描述
用公式可表示为：

其中x^[l] 和x^[l+1] 表示为第l个残差模块的输入与输出，ReLU代表激活函数，F(x^[l] ,{w_i^[l] })代表含有多个层的可学习的残差映射函数。

原始版Resnet由两个1x1卷积和一个3x3卷积组成并且每个卷积层后都跟随一个bn层和ReLU激活层，大的灰色箭头表示shortcut连接；这条链路只包含一个ReLU激活函数，该ReLU可以通过将负信号归零来潜在地对信息的传播产生负面影响。这在训练开始时尤其重要(一段时间后，网络可能开始调整权重以输出一个在通过ReLU时不受影响的正信号)。这个影响在何凯明的另一篇论文^[1]中提出了改进方式，叫做预激活，即通过将BN层和ReLU层前移，如下图(b)所示。

原始版本的ResNet(图a)在主路径上设置了太多的门(ReLU)，这会阻碍信息的传播，改进版本图b，又使得信息畅通无阻，不受任何控制，这两种极端的shortcut设置都不是最理想的，并且呈现出不同的问题，在预激活版本图b中引发出两个问题：
1、网络的4个stage都没有对完整信号进行BN归一化，全部的bn操作都在分支中进行，因此，当我们增加blocks时也在同时增加完整信号的非归一化(unnormalized)，也就造成了网络学习困难。这个问题在图a和图b两种结构都体现出来了。
2、预激活版本(图b)的主路径是学习恒等映射的，每个block连接处缺少非线性映射，这限制了学习能力。作者针对以上两点进行改进，按stage切分为start、Middle、end，并且在每个stage的最后一个block后加入BN用于稳定训练和加入ReLU激活用于增加网络表达能力。如图c的End ResBlock。通过以上改进，既能保证完整信息在网络中高效流动也能有效控制它。

3.2 Improved projection shortcut

在原始Resnet版本中，当输入x与F的输出维度不匹配时，就需要对x进行projection shortcut操作。如下图a所示，作者认为原来架构中步长为2的1x1 conv会丢失75%的重要信息，而留下的25%的信息也没有设计什么有意义的筛选标准，这会引入噪声和造成信息丢失，对主要通道流信息造成负面影响。

作者的改进方式是空间和通道适配分别用maxpooling和1x1卷积操作，而不是原版中用1x1卷积同时完成， 即对于spacial projection，使用stride=2的3×3 max pooling层，对于channel projection使用stride=1的1×1 conv，然后再跟BN。这样做的优点是：spacial projection将考虑来自特征映射的所有信息，并在下一步中选择激活度最高的元素,减少了信息的损失，后面的实验结果也证明了这点。

这样改进后的projection shortcut，在通道流程上可以看作是软下采样（3x3 conv) 和硬下采样（3x3 max pooling）两种方式的结合，是两种方式优势的互补。“硬采样”有助于分类（选择激活程度最高的元素），而“软采样”也有助于不丢失所有空间背景（因此，有助于更好的定位，因为元素之间可以进行过渡比较平滑）。同样这个改进并不增加模型复杂度和模型参数量，非常实惠。
在这里插入图片描述

3.3 Grouped building block

在原始Resnet版本中引入瓶颈构建块是出于实际考虑，在增加网络深度的同时保持合理的计算成本。在瓶颈残差块中，先使用1x1减低通道数，然后使用3x3卷积提取特征，最后用1x1卷积提升通道数恢复原来的信息量，这样做是为了控制计算量和参数量，但是3x3卷积是在空间学习中占用非常重要的角色，瓶颈残差块中却限制了其输入输出通道的数量。

作者就基于这一点提出了改进，保证了3x3卷积以最大的输入输出通道进行计算，为了保证不增加计算量和参数量，作者这里采用了分组卷积(grouped convolution)。作者叫它ResGroup block。作者基于Resnet-50为基准，根据每个stage的group设置数量分别给出了固定版本ResGroupFix-50和变化版本ResGroup-50结构，如下表所示：
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通过引入ResGroup block这种方法，3x3卷积拥有最多的通道和更高的学习空间特征的能力。其引入的空间通道是原始Resnet的四倍，是ResNeXt的两倍。这对于提高性能非常重要，因为3x3 conv是负责学习空间特征的唯一组件，因此，为3x3 conv提供最大数量的通道可以提高检测空间特征的能力。在实验部分，作者展示了该方法的有效性。如下图所示：
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4、实验

ImageNet上分类实验
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可以看到，IResNet随着网络层数增加，结果都在持续变好，并且比原始Resnet版本和预激活版本都好。

IResnet和Resnet的训练曲线对比如下：
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当网络深度达到302和404层的时候，Imagenet测试集表现如下：
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和200层的效果比较，top1 error也是在随着网络层数增加在不断减小的。

CIFAR-10/100数据，网络上千层测试效果：
在这里插入图片描述
从表中可以看出，原始版的Resnet，当网络从164层增加到1001层时，已经表现出严重的网络退化现象，而IResnet表现随着层数增加，错误率在减小。当网络层数增加到2000层时，原始版Resnet直接收敛失败，表现出严重的优化问题，而IResnet版本则到了3002层才开始表现出下降(文中表示可能过拟合了)。所以可以得出，随着网络层数增加，IResnet的效果会更好，不会出现网络退化问题。