经典卷积神经网络之 VGG

Posted 2023-02-25 ZealCV

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了经典卷积神经网络之 VGG相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

VGGnet

牛津大学 Visual Geometry Group（视觉几何组）的同志写的论文，所以叫VGG

时间：

2014年

出处：

Very Deep Convolutional Networks forLarge-Scale Image Recognition

论文的翻译：http://blog.csdn.net/roguesir/article/details/77470043

目的：

探究在大规模图像识别任务中，卷积网络的深度与其性能之间的关系

做法：

VGG把 Alexnet 最开始的一个7*7的卷积核用 3个3*3的卷积核代替。

通过反复堆叠3*3的小型卷积核（stride：1，padding:1）和 2*2的最大池化层，不断加深网络结构来提升性能，成功地构筑了16~19层深的卷积神经网络。

为什么这么做？

（1）3x3是最小的能够捕获左、右、上、下和中心概念的尺寸；
（2）AlexNet最开始的7*7的卷积核的感受野是：7*7
……..VGG第一个卷积核的感受野：3*3
……..第二个卷积核的感受野：（3-1）*1+3=5
……..第三个卷积核的感受野：（5-1）*1+3=7
……..可见三个3*3卷积核和一个7*7卷积核的感受野是一样的，但是3*3卷积核可以把网络做的更深。
（3）多个3*3的卷积层比一个大尺寸的filter卷积层有更多的非线性，使得判决函数更加具有判断性。
（4）多个3*3的卷积层比一个大尺寸的filter具有更少的参数。

成就：

VGGNet 相比之前state-of-the-art的网络结构，错误率大幅下降，获得ILSVRC 2014比赛分类项目的第2名和定位项目的第1名。

贡献：

证明了使用很小的卷积（3*3），增加网络深度可以有效提升模型的效果，而且VGGNet对其他数据集具有很好的泛化能力

VGG的结构

为了在公平的原则下探究网络深度对模型精确度的影响，所有卷积层有相同的配置：
卷积核大小为3*3，步长为1（stride：1），填充为1（padding:1）；
共有5个最大池化层，大小都为2*2，步长为2（stride：2）；
三个全连接层，前两层都有4096通道，第三层共1000路及代表1000个标签类别；最后一层为softmax层；
所有隐藏层后都带有ReLU非线性激活函数；

下图为VGG16的结构图：

配置对比：

这张图的意思是他们一共建了A, B, C, D, E, F 6个不同的网络。

结构A：和AlexNet类似，卷积层分为了5个stage，全连接层还是3层。只不过卷积层用的都是3x3大小的filter，具体的细节我会在下文接着阐述。

结构A-LRN：保留AlexNet里面LRN操作，其他与结构A无区别。

结构B：在A的 stage2 和 stage3 分别增加一个3*3的卷积层，共有10个卷积层，全连接层还是3层。

结构C：在B的基础上，stage3，stage4，stage5分别增加一个1*1的卷积层，有13个卷积层，全连接层还是3层，总计16层。

结构D：在C的基础上，stage3，stage4，stage5分别增加一个3*3的卷积层，有13个卷积层，全连接层还是3层，总计16层。

结构E：在D的基础上，stage3，stage4，stage5分别再增加一个3*3的卷积层，有16个卷积层，全连接层还是3层，总计19层。

参数（以VGG16为例）：

VGG结构需要注意的点：

1、卷积核都是3x3的
2、参数最多的层：第一个全卷积层，占用内存最多的层：前两个卷积层
3、卷积核个数从64到128到256的目的：stride：1，padding:1 的卷积，特征图大小不变，但是进经过2*2的pooling操作，每个特征图的w和h都变为1/2,特征图的大小变为1/4，将卷积核的个数翻倍，可以降低信息衰减
4、使用了1*1卷积核，1*1卷积核有什么作用？
（1）降维（ dimension reductionality ）。比如，一张500 * 500且厚度depth为100 的图片在20个filter上做1*1的卷积，那么结果的大小为500*500*20。
（2）加入非线性。卷积层之后经过激励层，1*1的卷积在前一层的学习表示上添加了非线性激励（ non-linear activation ），提升网络的表达能力；

训练：

图片预处理：

在训练集中的每个像素上减去RGB的均值

为了获得初始化的224x224大小的图片，通过在每张图片在每次随机梯度下降时进行一次裁减，为了更进一步的增加训练集，对每张图片进行水平翻转以及进行随机RGB色差调整。
初始对原始图片进行裁剪时，原始图片的最小边不宜过小，这样的话，裁剪到224x224的时候，就相当于几乎覆盖了整个图片，这样对原始图片进行不同的随机裁剪得到的图片就基本上没差别，就失去了增加数据集的意义，但同时也不宜过大，这样的话，裁剪到的图片只含有目标的一小部分，也不是很好。
针对上述裁剪的问题，提出的两种解决办法：
(1) 固定最小遍的尺寸为256
(2) 随机从[256,512]的确定范围内进行抽样，这样原始图片尺寸不一，有利于训练，这个方法叫做尺度抖动scal jittering，有利于训练集增强。训练时运用大量的裁剪图片有利于提升识别精确率。

网络的训练一些相关细节：

网络采用常用的mini-batch 的梯度下降法进行网络的训练, size为256；
权值更新的原则也是常用的 momentum 的方法,动量值为0.9；对网络的权值 decay 采用L2正则化方法，其中惩罚因子为5*10－4；
对最后的全连接层的前两层采用 dropout 机制， dropout的值为0.5；

网络的学习率的大体设置为：初始值为0.01，当进入plateau时（可以认为验证值的识别率不再变化，当然也可以选其它的，如：lossValue）,学习率缩小10倍，变为0.001，然后再重复一次，变为0.0001就OK了。

权值的初始化是一个重要的问题：

对于深层的网络来说，网络的权值初始值特别特别容易影响最后的识别率的

而相对于比较 shallow的网络的初始值，我们可以用随机初始化的方法解决。所以文中的做法就是随机初始化（用mean为0，variance为0.01的高斯分布）相当shallow的网络 A，然后训练完成了

当我们训练其它相当于较深的网络的时候，我们用网络A的权值来初始化其它网络的权值就OK了

在训练过程中，我们的学习率初始值同样保持为0.01

single-scale训练

测试图片尺寸固定为一个值时，各个模型运用在ILSVRC-2012数据集上的结果

top-1 error 就是实在的错误率，概率最大一类的作为输出；而top-5 error常作为 ILSVRC 官方的识别率的测试，它是指概率的前5个中只要有对应的正确的类就算是识别对了，没有就是错了

结论：

·A与A-LRN比较：A-LRN结果没有A好，说明LRN作用不大。

·A与B, C, D, E比较，A是这当中layer最少的，相比之下A效果不如B,C,D,E，说明Layer越深越好；

·B与C比较：增加 1*1 filter，增加了额外的非线性提升效果；

·C与D比较：3*3 的 filter（结构D）比 1*1（结构C）的效果好

Multi-scale训练

方法1：single-scale训练 S，multi-scale测试 S-32,S,S+32

方法2：multi-scale训练[Smin;Smax]，multi-scale测试Smin，middle，Smax

可以看到结果稍好于前者测试图片采用单一尺寸的效果

当取训练图片S利用尺度抖动的方法范围为[256;512]，测试图片也利用尺度抖动取256，384，512三个值进行分类结果平均值，然后探究对测试图片进行多裁剪估计的方法，即对三个尺度上每个尺度进行50次裁剪（5x5大小的正常网格，并进行两次翻转）即总共150次裁剪的效果图，如下：

可以看到这个效果比之前两个效果更进一步，说明多尺度裁剪也起了一定好的作用。