机器学习笔记：ResNet 及残差连接

Posted 2021-09-15 UQI-LIUWJ

1 为什么会有ResNet？

       自从深度神经网络在ImageNet大放异彩之后，后来问世的深度神经网络就朝着网络层数越来越深的方向发展。直觉上我们不难得出结论：增加网络深度后，网络可以进行更加复杂的特征提取，因此更深的模型可以取得更好的结果。

        但事实并非如此，人们发现随着网络深度的增加，模型精度并不总是提升，并且这个问题显然不是由过拟合（overfitting）造成的，因为网络加深后不仅测试误差变高了，它的训练误差竟然也变高了。【注：过拟合应该是训练误差很小，但是测试误差很大；这里训练误差都很大，说明不是过拟合的问题】

        这可能是因为更深的网络会伴随梯度消失/爆炸问题，从而阻碍网络的收敛。这种加深网络深度但网络性能却下降的现象被称为退化问题（degradation problem）。

        从上图我们可以看出，当传统神经网络的层数从20增加为56时，网络的训练误差和测试误差均出现了明显的增长，也就是说，网络的性能随着深度的增加出现了明显的退化。

        ResNet就是为了解决这种退化问题而诞生的。

2 ResNet原理

        随着网络层数的增加，梯度爆炸和梯度消失问题严重制约了神经网络的性能，研究人员通过提出包括Batch normalization在内的方法，已经在一定程度上缓解了这个问题，但依然不足以满足需求。

        ResNet提出了使用恒等映射（Identity mapping）来解决这个问题。

        问题解决的标志是：增加网络层数，但训练误差不增加。

        那怎么构建恒等映射呢？

        简单地说，原先的网络输入x，希望输出H(x)。

        现在我们改一改，我们令H(x)=F(x)+x，那么我们的网络就只需要学习输出一个残差F(x)=H(x)-x。

        ResNet作者提出，学习残差F(x)=H(x)-x会比直接学习原始特征H(x)简单的多。

 3 ResNet（各变体）网络结构

        ResNet有很多变体，比较著名的有五种主要形式：Res18，Res34，Res50，Res101，Res152。

        

        如上图所示，ResNet及其变体主要包括三个主要部分：输入部分（input）+中间卷积（stage1~stage4）+输出部分（output）

3.1 网络整体结构

        以ResNet18为例： 

class ResNet(nn.Module):
    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.bn1(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.maxpool(x)
        #输入部分

        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        x = self.layer3(x)
        x = self.layer4(x)
        #卷积部分
        #ResNet18和其他的ResNet网络的区别主要就在这四层里面

        x = self.avgpool(x)
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = self.fc(x)
        #输出部分

        return x

# 生成一个res18网络（看是否有预训练的参数）
def resnet18(pretrained=False, **kwargs):
    model = ResNet(BasicBlock, [2, 2, 2, 2], **kwargs)
    if pretrained:
        model.load_state_dict(model_zoo.load_url(model_urls['resnet18']))
    return model

 3.2 网络输入部分

        self.conv1 = nn.Conv2d(
            3, 
            64, 
            kernel_size=7, 
            stride=2, 
            padding=3, 
            bias=False)
'''
size=7*7，stride=2的卷积核
'''
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(64)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.maxpool = nn.MaxPool2d(
            kernel_size=3, 
            stride=2, 
            padding=1
'''
size=3x3, stride=2的最大池化
'''
            )

在pytorch 笔记：torch.nn.Conv2d_UQI-LIUWJ的博客-CSDN博客、pytorch笔记：torch.nn.MaxPool2d_UQI-LIUWJ的博客-CSDN博客中，我们说到，经过Conv2d和MaxPool2d之后的channel数为：

        在ResNet中，输入部分是一个224x224的图像，经过输入部分之后，变成了56x56大小的特征图，极大减少了存储所需大小。

 

3.3 中间卷积部分

        中间卷积部分主要是下图中的蓝框部分，通过3*3卷积的堆叠来实现信息的提取。红框中的[2, 2, 2, 2]和[3, 4, 6, 3]等则代表了bolck的重复堆叠次数。 

         红框前面的是卷积核的大小，以及输出的channel数

        刚刚我们调用的resnet18( )函数中有一句

model = ResNet(BasicBlock, [2, 2, 2, 2], **kwargs)

        这里的[2, 2, 2, 2]与图中红框是一致的，如果你将这行代码改为 ResNet(BasicBlock, [3, 4, 6, 3], **kwargs)， 那你就会得到一个res34网络。

3.4  残差块

        下面我们来具体看一下一个残差块是怎么实现的。

        如下图所示的basic-block，输入数据分成两条路，一条路经过两个3*3卷积，另一条路直接短接，二者相加经过relu输出，十分简单。

class BasicBlock(nn.Module):
    expansion = 1

    def __init__(self, inplanes, planes, stride=1, downsample=None):
        super(BasicBlock, self).__init__()
        self.conv1 = conv3x3(
            inplanes, 
            planes, 
            stride)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(planes)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)

        self.conv2 = conv3x3(
            planes, 
            planes)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(planes)
        self.downsample = downsample
        self.stride = stride

    def forward(self, x):
        identity = x

        out = self.conv1(x)
        out = self.bn1(out)
        out = self.relu(out)

        out = self.conv2(out)
        out = self.bn2(out)

        if self.downsample is not None:
            identity = self.downsample(x)

        out += identity
        out = self.relu(out)

        return out

 

 3.5 输出部分

         网络输出部分很简单，通过全局自适应平滑池化，把所有的特征图拉成1*1。

        对于res18来说，就是1x512x7x7 的输入数据拉成 1x512x1x1，然后接全连接层输出，输出节点个数与预测类别个数一致。

        self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1))
        self.fc = nn.Linear(512 * block.expansion, num_classes)

4 bottleneck 结构 

        ResNet50起，就采用Bottleneck结构，主要是引入1x1卷积。

        我们来看一下这里的1x1卷积有什么作用：

• 对通道数进行升维和降维（跨通道信息整合），实现了多个特征图的线性组合，同时保持了原有的特征图大小；
• 相比于其他尺寸的卷积核，可以极大地降低运算复杂度；
• 如果使用两个3x3卷积堆叠，只有一个relu，但使用1x1卷积就会有两个relu，引入了更多的非线性映射；

 

        我们来计算一下1*1卷积的计算量优势：首先看上图右边的bottleneck结构，对于256维的输入特征，参数数目：1x1x256x64+3x3x64x64+1x1x64x256=69632.

        如果同样的输入输出维度但不使用1x1卷积，而使用两个3x3卷积的话，参数数目为(3x3x256x256)x2=1179648。

        简单计算下就知道了，使用了1x1卷积的bottleneck将计算量简化为原有的5.9%，收益超高。

 参考文献：ResNet及其变种的结构梳理、有效性分析与代码解读 - 知乎 (zhihu.com)