问题导读：
1.卷积神经网络的基本单元?
2.典型卷积神经网络有哪些？
3.卷积神经网络Inception系列的启发？
往期回顾
在上一篇文章中，我们介绍了"Hugh技术分享"的整体流程。在这篇文章中，我们将介绍深度学习典型的网络结构—卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)。围绕CNN系列，我们将介绍Inception系列、ResNet系列和轻型网络系列。内容如下：
卷积神经网络是什么？
卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN）是一种前馈神经网络，对大型图像处理、图像分类有出色表现。如下图所示，CNN包括卷积层、池化层、全连接层等模块。
卷积层
不同的卷积核将提取图像的不同特征。
卷积操作能起到特征增强，并降低噪声的作用。
激励层
Sigmoid等激活函数：应用于传统的神经网络（NN），存在缺陷。
1）NN含多个全连接层，故求梯度计算量大；
2）其在深层网络中，易出现梯度消失等。
ReLu克服了其一些缺陷：
1）多用于卷积层后，求解梯度简单，且具有稀疏激活性；
2）收敛速度快，在一定程度上缓解梯度消失。
但由于ReLu单侧抑制造成负值被稀疏掉，导致信息丢失。ReLU变体PReLU、RReLU、ELU、SELU
使用经验：
1) 避免使用sigmoid，可以尝试RELU；
2) 若ReLu失效，可用Leaky ReLU或者Maxout等；
3) 在某些情况下，tanh有不错的结果，例如生成对抗网络在G中的激活函数使用RELU，但在输出层使用的是Tanh 。
池化层
相较于卷积层，池化层更能减少参数。
池化层选择区域的最大值（或平均值）取代区域。
池化具有平移不变性：
池化具有旋转不变性：
全连接层
在整个卷积神经网络中起到“分类器”的作用，但其权重矩阵的参数非常多，容易过拟合。
FC可以用GlobalAverage Pooling的方法代替
Global Average Pooling 计算每个通道的特征图的均值，将不同通道的均值连接成一个一维张量。
深度神经网络发展如下：
1 早期网络
CNN的开端：Lenet1986：
它由两个卷积层，两个池化层，以及两个全连接层组成。其缺点是当时计算资源有限，收敛速度慢。
ILSVRC2012 年冠军：AlexNet 2012
它的优点包括：1）数据增强，能够缓解过拟合；2）首次采用激活函数ReLu，收敛速度加快；3）dropout；4）Norm层（LRN）；5）多gpu并行处理
多GPU并行计算。
缺点: 卷积核尺寸大（11x11），网络参数多。
VGGnet 2014
VGG克服了Alexnet的7x7滤波器，由多个小尺寸3x3滤波器级联而成。其中，3x3滤波器更易获取图像上下左右和中心信息，且多个3x3滤波器级联更有非线性。
尽管VGG比Alex-net有更多的参数，更深的层次；但是VGG收敛快，仅需要较少的迭代次数。
为什么VGG收敛快？
1）深度和小的filter尺寸，起到了隐式的规则化的作用；
2）一些层的pre-initialisation；随机初始化训练网络A，将A的前4层与全连接层作为其他网络（B、C）初始值，未赋值的中间层随机初始化。
VGG的Multi-scale训练新在何处？
把原始 image缩放到最小边S>224；然后在图像上提取224*224图像，进行训练。
方法1：在S=256，和S=384上训练两个模型，然后求平均；
方法2：在[256,512]scale上，随机选取一个scale，然后提取224*224的图片，训练一个网络。这种方法类似图片尺寸上的数据增益。
2 Inception系列
Inception V1:
为了克服Alexnet和Vgg参数量多、训练等问题，Inception V1采用一系列策略，性能优越。
出发点：Inception网络的一个动机就是通过稀疏连接进行近似成“large and dense layers”。
在网络结构方面：采用Inception近似一个稀疏结构。将1x1，3x3，5x5的conv和3x3的pooling堆叠在一起。在分类器模块中，GoogleNet V1用Average pooling 替换传统的FC，呈现(AvgPool-1x1Conv-FC-FC-Softmax)。
Inception模块优点：
1）增加了网络的宽度；2）增加了网络对尺度的适应性，提高了网络内部计算资源的利用率；3）1x1减少网络参数，且起到信息融合的作用。
Inception V1之Data augmentation：
1）图像各种尺寸patch的采样，这些patch的size平均分布在图像区域的8%到100%间，长宽比例在3/4和4/3间；
2）设置参数contrast, brightness 和color，调节光照变化有利于缓解过拟合；
3）使用随机差值(bilinear, area, nearest neighbor and cubicwith equal probability)进行图像的resize。
Inception-V2 2015
Inception-V2在v1的基础上进行了两个方面改进。
1）加入了BN层，减少了Internal Covariate Shift（内部neuron的数据分布发生变化），使每一层的输出都规范化到一个N(0, 1)的高斯。
2）参考VGG用2个3x3的conv替代inception模块中的5x5，既降低了参数数量，也加速计算；
Inception-V2 其他优势与思考：
1) 可以使用更高的学习率；
解释：如果每层的scale不一致，实际上每层需要的学习率不一致。同一层不同维度的scale往往也需要不同大小的学习率，通常使用最小的那个学习率才能保证损失函数有效下降，Batch Normalization将每层、每维的scale保持一致，才可以直接使用较高的学习率进行优化。
2) 移除或使用较低的dropout；
解释：dropout是常用的防止overfit的方法，而导致overfit的位置往往在数据边界处，如果初始化权重就已经落在数据内部，overfit现象就可以得到一定的缓解。在论文中，最后的模型分别使用10%、5%和0%的dropout训练模型，与之前的40%-50%相比，可以大大提高训练速度。
3) 降低L2权重衰减系数；
解释：边界处的局部最优往往有几维的权重（斜率）较大，使用L2衰减可以缓解这一问题，使用Batch Normalization，就可以把这个值降低了，论文中降低为原来的5倍。
4) 取消Local Response Normalization层；
解释：由于使用了一种Normalization，再使用LRN就显得没那么必要了。而且LRN实际上也没那么work。
5) 减少图像扭曲的使用；
解释：由于现在训练epoch数降低，所以要对输入数据少做一些扭曲，让神经网络多看看真实的数据。
Inception-v3
Inception-v3一个最重要的改进是分解，将7x7分解成两个一维的卷积（1x7,7x1），3x3也是一样（1x3,3x1）.
优点：
1）加速计算（多余的计算能力可以用来加深网络），将1个conv拆成2个conv，使得网络深度进一步增加，增加了网络的非线性；
2）网络输入从224x224变为了299x299，更加精细设计了35x35/17x17/8x8的模块。
细节：
1）在辅助层加入了BN-auxiliary
2）全连接层后面也进行BN操作。
Inception-v4
在网络结构方面，Inception-v4的Inception模块结合Residual Connection。
此外，它的训练策略和v3一样。
优点：
ResNet的结构可以极大地加速训练，同时性能也有提升。
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