献给莹莹
参考文献:https://zhuanlan.zhihu.com/p/31852747
一、Resnet的原理
Resnet论文原文：https://arxiv.org/pdf/1512.03385.pdf
Resnet论文翻译：https://zhuanlan.zhihu.com/p/36967285
1.深度网络的退化问题
- 网络的深度对模型的性能至关重要，当增加网络层数后，网络可以进行更加复杂的特征模式的提取，所以当模型更深时理论上可以取得更好的结果。
- 但是更深的网络其性能一定会更好吗？实验发现深度网络出现了退化问题（Degradation problem）：网络深度增加时，网络准确度出现饱和，甚至出现下降。这个现象可以在下图中直观看出来：56层的网络比20层网络效果还要差。这不会是过拟合问题，因为56层网络的训练误差同样高。我们知道深层网络存在着梯度消失或者爆炸的问题，这使得深度学习模型很难训练。
2.残差学习
深度网络的退化问题至少说明深度网络不容易训练。但是我们考虑这样一个事实：现在你有一个浅层网络，你想通过向上堆积新层来建立深层网络，一个极端情况是这些增加的层什么也不学习，仅仅复制浅层网络的特征，即这样新层是恒等映射（identity mapping）。在这种情况下，深层网络应该至少和浅层网络性能一样，也不应该出现退化现象。
这个有趣的假设让何凯明博士灵感爆发，他提出了残差学习来解决退化问题。对于一个堆积层结构（几层堆积而成）当输入为
X时其学习到的特征记为H(X)，现在我们希望其可以学习到残差F(X)=H(X)-X，这样其实原始的学习特征是F(X)+X之所以这样是因为残差学习相比原始特征直接学习更容易。
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当残差为0时，此时堆积层仅仅做了恒等映射，至少网络性能不会下降，实际上残差不会为0，这也会使得堆积层在输入特征基础上学习到新的特征，从而拥有更好的性能。残差学习的结构如图4所示。这有点类似与电路中的“短路”，所以是一种短路连接（shortcut connection）。
总的来说，Resnet的核心思想就是更改了网络结构的学习目的，原本学习的是直接通过卷积得到的图像特征H(X)，现在学习的是图像与特征的残差H(X)-X,这样更改的原因是因为残差学习相比原始特征的直接学习更加容易。以下进行一个简单的证明。
3.残差学习为什么更容易
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从直观上看残差学习需要学习的内容少，因为残差一般会比较小，学习难度小点，但这样的理由太不严谨了，下面尝试用数学方法对其进行说明：
也就是说，某种程度上看，残差学习解决了由于网络深度增加引起的梯度爆炸和梯度消失问题，因此能够有效加深网络的深度，使得结果更好。
4.Resnet网络结构
ResNet网络是参考了VGG19网络，在其基础上进行了修改，并通过短路机制加入了残差单元。
变化主要体现在ResNet直接使用stride=2的卷积做下采样，并且用global average pool层替换了全连接层。ResNet的一个重要设计原则是：当feature map大小降低一半时，feature map的数量增加一倍，这保持了网络层的复杂度。
ResNet相比普通网络每两层间增加了短路机制，这就形成了残差学习，其中虚线表示feature map数量发生了改变。图5展示的34-layer的ResNet，还可以构建更深的网络如表1所示。从表中可以看到，对于18-layer和34-layer的ResNet，其进行的两层间的残差学习，当网络更深时，其进行的是三层间的残差学习，三层卷积核分别是1x1，3x3和1x1，一个值得注意的是隐含层的feature map数量是比较小的，并且是输出feature map数量的1/4。
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具体结构可以看论文https://arxiv.org/pdf/1512.03385.pdf，图片太大放不下。
表1
如下图所示：左图对应的是浅层网络，而右图对应的是深层网络。对于短路连接，当输入和输出维度一致时，可以直接将输入加到输出上。但是当维度不一致时（对应的是维度增加一倍），这就不能直接相加。有两种策略：
- （1）采用zero-padding增加维度，此时一般要先做一个downsamp，可以采用strde=2的pooling，这样不会增加参数；
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（2）采用新的映射（projection shortcut），一般采用1x1的卷积，这样会增加参数，也会增加计算量。短路连接除了直接使用恒等映射，当然都可以采用projection shortcut。
不同的残差结构
二、Resnet代码实现
import torch.nn as nn
import math
import torch.utils.model_zoo as model_zoo
def conv3x3(in_planes, out_planes, stride=1):
return nn.Conv2d(in_planes, out_planes, kernel_size=3, stride=stride,
padding=1, bias=False)
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):
residual = 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:
residual = self.downsample(x)
out += residual
out = self.relu(out)
return out
class ResNet(nn.Module):
def __init__(self, block, layers, num_classes=1000):
self.inplanes = 64
super(ResNet, self).__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=7, stride=2, padding=3,
bias=False)
self.bn1 = nn.BatchNorm2d(64)
self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
self.maxpool = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
self.layer1 = self._make_layer(block, 64, layers[0])
self.layer2 = self._make_layer(block, 128, layers[1], stride=2)
self.layer3 = self._make_layer(block, 256, layers[2], stride=2)
self.layer4 = self._make_layer(block, 512, layers[3], stride=2)
self.avgpool = nn.AvgPool2d(7, stride=1)
self.fc = nn.Linear(512 * block.expansion, num_classes)
for m in self.modules():
if isinstance(m, nn.Conv2d):
n = m.kernel_size[0] * m.kernel_size[1] * m.out_channels
m.weight.data.normal_(0, math.sqrt(2. / n))
elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
m.weight.data.fill_(1)
m.bias.data.zero_()
def _make_layer(self, block, planes, blocks, stride=1):
downsample = None
if stride != 1 or self.inplanes != planes * block.expansion:
downsample = nn.Sequential(
nn.Conv2d(self.inplanes, planes * block.expansion,
kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
nn.BatchNorm2d(planes * block.expansion),
)
layers = []
layers.append(block(self.inplanes, planes, stride, downsample))
self.inplanes = planes * block.expansion
for i in range(1, blocks):
layers.append(block(self.inplanes, planes))
return nn.Sequential(*layers)
def forward(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.bn1(x)
x = self.relu(x)
x = self.maxpool(x)
x = self.layer1(x)
x = self.layer2(x)
x = self.layer3(x)
x = self.layer4(x)
x = self.avgpool(x)
x = x.view(x.size(0), -1)
x = self.fc(x)
return x
def resnet18(pretrained=False, **kwargs):
trained (bool): If True, returns a model pre-trained on ImageNet
model = ResNet(BasicBlock, [2, 2, 2, 2], **kwargs)
if pretrained:
model.load_state_dict(model_zoo.load_url(model_urls['resnet18']))
return model
