一文读懂物体分类AI算法：LeNet-5 AlexNet VGG Inception ResNet MobileNet

1 引言

当前深度学习十分火热，深度学习网络模型对于降低错误率的重要作用不言而喻。深度学习应用场景主要分为三类：物体识别与分类，物体检测，自然语言处理。在物体识别与分类领域，随着AlexNet在2012年一炮走红，深度学习重新燃起了一片热情。从Lenet5第一次使用卷积开始，经历了AlexNet VGG Inception ResNet等各种模型，错误率也一再降低。ResNet-152 top-5错误率仅为3%左右，远低于人眼的5.1%。本文主要讲解各种网络模型的结构，他们的特点，以及这些特点为何能减少训练时间和降低错误率。

2 LeNet-5

LeNet-5的出现标志着CNN卷积神经网络在AI领域的出现，CNN以视觉感受野和权值共享的思想，大大减少了模型参数，使得深度学习模型训练成为了可能。但由于诞生于1998年，GPU的概念都还没有提出，CPU的性能又是极其低下，而且LetNet-5只能使用在手写字识别等很简单的应用场景，故一直没有火起来。但作为CNN应用的开山鼻祖，学习CNN势必先从学习LetNet-5开始。LeNet-5网络结构如下图

LeNet-5输入为32x32的二维像素矩阵，由于是灰度图，输入通道为1，其正向传播步骤为

1. 先经过一层5x5的卷积，feature map为6，也就是输出通道为6。由于没有在图片四周加padding，像素矩阵大小变为了28x28。这一层参数量为(5x5+1)x6 = 156。
2. 然后经过一层2x2的平均值池化层进行下采样。像素矩阵大小变为了14x14
3. 再经过一层5x5的卷积，feature map为16。像素矩阵大小变为了10x10。这一层参数量为(5x5x6+1)x16 = 2416
4. 然后经过一层2x2的最大值池化层。像素矩阵大小变为了5x5
5. 在经过一层5x5的卷积，feature map为120。像素矩阵大小变为了1x1。这一层参数量为(5x5x16+1)x120 = 48120
6. 然后经过一层全连接层, 输出为84.故这一层参数量为84x120 = 10080
7. 最后一层为Gaussian Connections输出层，输出0~9共10个分类。目前主流输出层已经由softmax来代替

LeNet-5的特点如下

1. 使用了卷积来提取特征，结构单元一般为卷积 - 池化 -非线性激活
2. 已经加入了非线性激活，激活函数采用了tanh和sigmoid，目前大多数情况下我们使用的是relu
3. 池化层使用的是平均值池化，目前大多数情况下我们使用最大值池化
4. 分类器使用了Gaussian Connections，目前已经被softmax替代

3 AlexNet

AlexNet在2012年以16.4%的显著优势问鼎ILSVRC的冠军，重新燃起了人们对于深度学习研究的热情。它第一次采用了relu，dropout，GPU加速等技巧，参数量为6000万，模型大小240M左右。其网络结构如下

AlexNet输入图片为224x224, 输入为RGB三通道。正向传播共5个卷积层和3个全连接层，步骤为

1. conv1-relu1-pool1-lrn1: 11x11的卷积，步长为4， 输出通道96,也就是96个特征图。分为两组，每组48个通道。然后通过一层relu的非线性激活。在经过一层最大值池化，池化核大小3x3, 步长为2。最后再经过一层LRN，局部响应归一化。第一层运算后图片大小为27x27x96
2. conv2-relu2-pool2-lrn2: 第二层的输入即为第一层的输出，也就是27x27x96的像素矩阵。96个feature map分成两组，分别在两个GPU中进行运算。卷积核大小为5x5, 步长为1，输出通道为128. 然后进过一层relu非线性激活。再经过一层最大值池化，池化核大小仍然为3x3, 步长为2. 最后再经过一层LRN。第二层运算后为两组13x13x128的图片
3. conv3-relu3: 第三层的输入为第二层的输出，也就是13x13x128的像素矩阵。先经过卷积核大小为3x3x192的卷积运算，步长为1。然后就是relu非线性激活。注意这一层没有max-pooling和LRN。第三层运算后为两组13x13x192
4. conv4-relu4: 第四层先经过卷积核大小为3x3, 步长为1的卷积运算，然后经过relu非线性激活。第四层运算后尺寸仍然为两组13x13x192的图片
5. conv5-relu5-pool5:第五层先经过卷积核大小为3x3, 输出通道128，步长为1的卷积运算，然后经过relu非线性激活。最后经过一层大小为3x3, 步长为2的max-pooling, 第五层运算后为两组6x6x128的图片
6. fc6-relu6-dropout6: 第六层为全连接层，输入为两组6x6x128, 组合在一起也就是6x6x256。输出通道为4096。经过relu和dropout后输出。输出为4096的一维向量
7. fc7-relu7-dropout7: 第七层为全连接层，输入为4096的一维向量，输出也为4096的一维向量，也就是4096x4096的全连接。然后通过relu和dropout输出。输出为4096的一维向量。
8. fc8: 第八层为全连接层，输入为4096的一维向量，输出为1000的一维向量，对应1000个分类的输出。也就是4096x1000的全连接。输出为1000的一维向量。经过这一层后就可以通过softmax得到1000个分类的分类结果了。

AlexNet的结构特点为

1. 采用relu替代了tanh和sigmoid激活函数。relu具有计算简单，不产生梯度弥散等优点，现在已经基本替代了tanh和sigmoid
2. 全连接层使用了dropout来防止过拟合。dropout可以理解为是一种下采样方式，可以有效降低过拟合问题。
3. 卷积-激活-池化后，采用了一层LRN，也就是局部响应归一化。将一个卷积核在(x,y)空间像素点的输出，和它前后的几个卷积核上的输出做权重归一化。
4. 使用了重叠的最大值池化层。3x3的池化核，步长为2，因此产生了重叠池化效应，使得一个像素点在多个池化结果中均有输出，提高了特征提取的丰富性
5. 使用CUDA GPU硬件加速。训练中使用了两块GPU进行并行加速，使得模型训练速度大大提高。
6. 数据增强。随机的从256x256的原始图片中，裁剪得到224x224的图片，从而使一张图片变为了(256-224)^2张图片。并对图片进行镜像，旋转，随机噪声等数据增强操作，大大降低了过拟合现象。

4 VGG

VGG为ILSVRC 2014年第二名，它探索了卷积网络深度和性能，准确率之间的关系。通过反复堆叠3x3卷积和2x2的池化，得到了最大19层的深度。VGG19模型大概508M，错误率降低到7.3%。VGG模型不复杂，只有3x3这一种卷积核，卷积层基本就是卷积-relu-池化的结构，没有使用LRN，结构如下图。

VGG的特点如下

1. 采用了较深的网络，最多达到19层，证明了网络越深，高阶特征提取越多，从而准确率得到提升。
2. 串联多个小卷积，相当于一个大卷积。VGG中使用两个串联的3x3卷积，达到了一个5x5卷积的效果，但参数量却只有之前的9/25。同时串联多个小卷积，也增加了使用relu非线性激活的概率，从而增加了模型的非线性特征。
3. VGG-16中使用了1x1的卷积。1x1的卷积是性价比最高的卷积，可以用来实现线性变化，输出通道变换等功能，而且还可以多一次relu非线性激活。
4. VGG有11层，13层，16层，19层等多种不同复杂度的结构。使用复杂度低的模型的训练结果，来初始化复杂度高模型的权重等参数，这样可以加快收敛速度。

5 Google Inception

Google Inception是一个大家族，包括inceptionV1 inceptionV2 inceptionV3 inceptionV4等结构。它主要不是对网络深度的探索，而是进行了网络结构的改进。inceptionV1击败了VGG，夺得2014年ILSVRC冠军。之后Google又对其网络结构进行了诸多改进，从而形成了一个大家族。

5.1 InceptionV1

inceptionV1是一个设计十分精巧的网络，它有22层深，只有500万左右的参数量，模型大小仅为20M左右，但错误率却只有6.7%。它的网络结构特点如下

1. 去除了最后的全连接层，而使用全局平均池化来代替。这是模型之所以小的原因。AlexNet和VGG中全连接几乎占据了90%的参数量。而inceptionV1仅仅需要1000个参数，大大降低了参数量
2. inception module的使用。借鉴与Network in Network的思想，提出了inception module的概念，允许通道并联来组合特征。其结构如下

inception module分为并联的四路，分别为单独的1x1卷积，1x1并联3x3, 1x1并联5x5, 池化后1x1卷积。使用不同的卷积结构来提取不同特征，然后将他们组合在一起来输出。

1. 使用了1x1,3x3,5x5等不同尺寸的卷积，增加了提取特征面积的多样性，从而减小过拟合

5.2 inceptionV2

inceptionV2和V1网络结构大体相似，其模型大小为40M左右，错误率仅4.8%，低于人眼识别的错误率5.1%。主要改进如下

1. 使用两个串联3x3卷积来代替5x5卷积，从而降低参数量，并增加relu非线性。这一点参考了VGG的设计
2. 提出了Batch Normalization。在卷积池化后，增加了这一层正则化，将输出数据归一化到0~1之间，从而降低神经元分布的不一致性。这样训练时就可以使用相对较大的学习率，从而加快收敛速度。在达到之前的准确率之后还能继续训练，从而提高准确率。V2达到V1的准确率时，迭代次数仅为V1的1/14, 从而使训练时间大大减少。最终错误率仅4.8%

5.3 inceptionV3

inceptionV3的网络结构也没太大变化，其模型大小96M左右。主要改进如下

1. 使用非对称卷积。用1x3+3x1的卷积来代替一个3x3的卷积，降低了参数的同时，提高了卷积的多样性
2. 分支中出现了分支。如下图

5.4 inceptionV4

inceptionV4主要是借鉴了resNet残差网络的思想，可以看做是inceptionV3和resNet的结合。inceptionV4模型大小163M，错误率仅仅为3.08%。主要在ResNet网络中讲解

6 ResNet

6.1 ResNetV1

ResNet由微软提出，并夺得了2015年ILSVRC大赛的冠军。它以152层的网络深度，将错误率降低到只有3.57%，远远低于5.1%的人眼识别错误率。它同样利用全局平均池化来代替全连接层，使得152层网络的模型不至于太大。网络中使用了1x1 3x3 5x5 7x7等不同尺寸的卷积核，从而提高卷积的多样性。resNetV1_152模型大小为214M，不算太大。

ResNet提出了残差思想，将输入中的一部分数据不经过神经网络，而直接进入到输出中。这样来保留一部分原始信息，防止反向传播时的梯度弥散问题，从而使得网络深度一举达到152层。当前有很多人甚至训练了1000多层的网络，当然我们实际使用中100多层的就远远足够了。残差网络如下图

ResNet的主要特点，就一个字，深！

6.2 ResNetV2

ResNetV2相对于V1的最大变化，就是借鉴了inceptionV2的BN归一化思想，这样来减少模型训练时间。

7 MobileNet

为了能将模型部署在终端上，需要在保证准确率的前提下，减小模型体积，并降低预测时的计算时间，以提高实时性。为了能到达这一目的，Google提出了mobileNet框架。最终mobileNetV1_1.0_224模型以16M的大小，可以达到90%的top-5准确率。模型甚至可以压缩得更小，mobileNetV1_0.25_128只有10M左右，仍然能达到80%的准确率。

7.1 mobileNet depthwise原理

mobileNet模型的核心是，将一个普通的卷积拆分成了一个depthwise卷积和一个1x1的普通卷积(也叫pointwise卷积）。depthwise卷积层的每个卷积只和输入的某一个channel进行计算，而combining则由1x1的卷积来负责。如下图

对于卷积核dk*dk,输入通道为M，输出通道为N的普通卷积，每个输出通道都是由M个卷积分别和输入通道做计算，然后累加出来，所以需要的参数量为dk x dk x M x N。而对于depthwise卷积，每个卷积只和输入通道的某一个通道发生计算，并且不需要累加操作，其卷积后的输出通道和输入通道相等，仍然为M。然后再经过一层1x1的普通卷积。故其参数为dk x dk x M + 1 x 1 x M x N。

mobileNet参数量比原来减少了多少呢，我们由下面的计算可以得出

​ (dk x dk x M + 1 x 1 x M x N) / (dk x dk x M x N) = 1/N + 1/(dk^2)

由于输出通道一般都比较大，为48 96 甚至4096， 故一般取1/(dk^2)， 对于最常见的3x3卷积，mobileNet参数量可以降低为原来的1/9.

7.2 mobileNet网络结构

mobileNet一共包含28层，第一层的卷积为普通卷积，之后的卷积为分解的3x3 depthwise卷积和1x1 pointwise卷积。另外，最后有一个全局平均池化层和全连接层。并利用softmax得到分类结果。如下图所示

7.3 mobileNet可裁剪化

为了得到更小的模型，mobileNet还可以进行输入通道和分辨率的剪裁，称为Width Multiplier 和 Resolution Multiplier。Width Multiplier 表示输入通道变为baseline的多少倍， Resolution Multiplier表示输入图像缩小为多少。经过剪裁后的mobileNetV1_0.25_128模型，只有10M左右，准确率仍然可达到80%左右。作为端上图像预处理完全足够。下面是Width Multiplier 和 Resolution Multiplier的结果

8 总结

CNN已经广泛应用在物体识别和分类领域，短短几年间就出现了AlexNet VGG inception ResNet等优秀的神经网络结构，并且每隔几个月就问世一种优秀网络结构，可以说是百花齐放。这要归功于TensorFlow等框架的成熟和GPU等硬件性能的提升，使得网络结构的设计和验证日趋平民化。各种网络结构，其实本质上也是在解决神经网络的几大痛点问题，如下

1. 减少模型参数量，降低模型体积
2. 加快训练收敛速度，减少训练耗时
3. 加快模型预测计算时间，提高实时性。这主要还是通过减少参数量来达到
4. 减少过拟合问题
5. 减少网络层级过深时的梯度弥散问题

学习网络模型，不应该去死记硬背，因为有源源不断的网络结构涌现。我们应该重点掌握每个模型的特点，以及他们是如何来解决上面列举的这些神经网络痛点的。