CNN网络结构的发展：从LeNet到EfficientNet

作者：zzq

https://zhuanlan.zhihu.com/p/68411179

本文已授权，未经允许，不得二次转载

CNN基本部件介绍

1.    局部感受野

在图像中局部像素之间的联系较为紧密，而距离较远的像素联系相对较弱。因此，其实每个神经元没必要对图像全局进行感知，只需要感知局部信息，然后在更高层局部信息综合起来即可得到全局信息。卷积操作即是局部感受野的实现，并且卷积操作因为能够权值共享，所以也减少了参数量。

2.    池化

池化是将输入图像进行缩小，减少像素信息，只保留重要信息，主要是为了减少计算量。主要包括最大池化和均值池化。

3.    激活函数

激活函数的用是用来加入非线性。常见的激活函数有sigmod, tanh, relu，前两者常用在全连接层，relu常见于卷积层

4.    全连接层

全连接层在整个卷积神经网络中起分类器的作用。在全连接层之前需要将之前的输出展平

经典网络结构

1.    LeNet5

由两个卷积层，两个池化层，两个全连接层组成。卷积核都是5×5，stride=1，池化层使用maxpooling

2.    AlexNet

模型共八层（不算input层），包含五个卷积层、三个全连接层。最后一层使用softmax做分类输出

AlexNet使用了ReLU做激活函数；防止过拟合使用dropout和数据增强；双GPU实现；使用LRN

3.    VGG

全部使用3×3卷积核的堆叠，来模拟更大的感受野，并且网络层数更深。VGG有五段卷积，每段卷积后接一层最大池化。卷积核数目逐渐增加。

总结：LRN作用不大；越深的网络效果越好；1×1的卷积也很有效但是没有3×3好

4.    GoogLeNet(inception v1)

从VGG中我们了解到，网络层数越深效果越好。但是随着模型越深参数越来越多，这就导致网络比较容易过拟合，需要提供更多的训练数据；另外，复杂的网络意味更多的计算量，更大的模型存储，需要更多的资源，且速度不够快。GoogLeNet就是从减少参数的角度来设计网络结构的。

GoogLeNet通过增加网络宽度的方式来增加网络复杂度，让网络可以自己去应该如何选择卷积核。这种设计减少了参数 ，同时提高了网络对多种尺度的适应性。使用了1×1卷积可以使网络在不增加参数的情况下增加网络复杂度。

Inception-v2

在v1的基础上加入batch normalization技术，在tensorflow中，使用BN在激活函数之前效果更好；将5×5卷积替换成两个连续的3×3卷积，使网络更深，参数更少

Inception-v3

核心思想是将卷积核分解成更小的卷积，如将7×7分解成1×7和7×1两个卷积核，使网络参数减少，深度加深

Inception-v4 

引入了ResNet，使训练加速，性能提升。但是当滤波器的数目过大（>1000）时，训练很不稳定，可以加入activate scaling因子来缓解

5.    Xception

在Inception-v3的基础上提出，基本思想是通道分离式卷积，但是又有区别。模型参数稍微减少，但是精度更高。Xception先做1×1卷积再做3×3卷积，即先将通道合并，再进行空间卷积。depthwise正好相反，先进行空间3×3卷积，再进行通道1×1卷积。核心思想是遵循一个假设：卷积的时候要将通道的卷积与空间的卷积进行分离。而MobileNet-v1用的就是depthwise的顺序，并且加了BN和ReLU。Xception的参数量与Inception-v3相差不大，其增加了网络宽度，旨在提升网络准确率，而MobileNet-v1旨在减少网络参数，提高效率。

6.    MobileNet系列

V1

使用depthwise separable convolutions；放弃pooling层，而使用stride=2的卷积。标准卷积的卷积核的通道数等于输入特征图的通道数；而depthwise卷积核通道数是1；还有两个参数可以控制，a控制输入输出通道数；p控制图像（特征图）分辨率。

V2

相比v1有三点不同：1.引入了残差结构；2.在dw之前先进行1×1卷积增加feature map通道数，与一般的residual block是不同的；3.pointwise结束之后弃用ReLU，改为linear激活函数，来防止ReLU对特征的破环。这样做是因为dw层提取的特征受限于输入的通道数，若采用传统的residual block，先压缩那dw可提取的特征就更少了，因此一开始不压缩，反而先扩张。但是当采用扩张-卷积-压缩时，在压缩之后会碰到一个问题，ReLU会破环特征，而特征本来就已经被压缩，再经过ReLU还会损失一部分特征，应该采用linear。

V3

互补搜索技术组合：由资源受限的NAS执行模块集搜索，NetAdapt执行局部搜索；网络结构改进：将最后一步的平均池化层前移并移除最后一个卷积层，引入h-swish激活函数，修改了开始的滤波器组。

V3综合了v1的深度可分离卷积，v2的具有线性瓶颈的反残差结构，SE结构的轻量级注意力模型。

7.    EffNet

EffNet是对MobileNet-v1的改进，主要思想是：将MobileNet-1的dw层分解层两个3×1和1×3的dw层，这样 第一层之后就采用pooling，从而减少第二层的计算量。EffNet比MobileNet-v1和ShuffleNet-v1模型更小，进度更高。

8.    EfficientNet

研究网络设计时在depth, width, resolution上进行扩展的方式，以及之间的相互关系。可以取得更高的效率和准确率。

9.    ResNet

VGG证明更深的网络层数是提高精度的有效手段，但是更深的网络极易导致梯度弥散，从而导致网络无法收敛。经测试，20层以上会随着层数增加收敛效果越来越差。ResNet可以很好的解决梯度消失的问题（其实是缓解，并不能真正解决），ResNet增加了shortcut连边。

10.    ResNeXt

基于ResNet和Inception的split+transform+concate结合。但效果却比ResNet、Inception、Inception-ResNet效果都要好。可以使用group convolution。一般来说增加网络表达能力的途径有三种：1.增加网络深度，如从AlexNet到ResNet，但是实验结果表明由网络深度带来的提升越来越小；2.增加网络模块的宽度，但是宽度的增加必然带来指数级的参数规模提升，也非主流CNN设计；3.改善CNN网络结构设计，如Inception系列和ResNeXt等。且实验发现增加Cardinatity即一个block中所具有的相同分支的数目可以更好的提升模型表达能力。

11.    DenseNet

DenseNet通过特征重用来大幅减少网络的参数量，又在一定程度上缓解了梯度消失问题。

12.    SqueezeNet

提出了fire-module：squeeze层+expand层。Squeeze层就是1×1卷积，expand层用1×1和3×3分别卷积，然后concatenation。squeezeNet参数是alexnet的1/50，经过压缩之后是1/510，但是准确率和alexnet相当。

13.    ShuffleNet系列

V1

通过分组卷积与1×1的逐点群卷积核来降低计算量，通过重组通道来丰富各个通道的信息。Xception和ResNeXt在小型网络模型中效率较低，因为大量的1×1卷积很耗资源，因此提出逐点群卷积来降低计算复杂度，但是使用逐点群卷积会有副作用，故在此基础上提出通道shuffle来帮助信息流通。虽然dw可以减少计算量和参数量，但是在低功耗设备上，与密集的操作相比，计算、存储访问的效率更差，故shufflenet上旨在bottleneck上使用深度卷积，尽可能减少开销。

V2

使神经网络更加高效的CNN网络结构设计准则：

输入通道数与输出通道数保持相等可以最小化内存访问成本

分组卷积中使用过多的分组会增加内存访问成本

网络结构太复杂（分支和基本单元过多）会降低网络的并行程度

element-wise的操作消耗也不可忽略

14.    SENet

15.    SKNet