无处不在的残差网络 (Residual Nets Family)

作者: CW不要无聊的风格 | 来源:发表于2020-02-28 19:29 被阅读0次

Date: 2020/02/28

Author: CW

前言：

残差网络（ResNet）绝对算得上是深度学习模型中的网红，哦不，应该是名流了，自从2015年它在ImageNet比赛的分类任务中拿下冠军后便一炮而红，而且至今“久盛不衰”，几乎各类视觉任务都能见到它的身影。

这时候大伙就难免有疑问了——这货凭啥这么红这么火啊？真有那么6吗？

CW刚开始也有这样的疑问，于是下功夫研究了一番，发现这货的残差结构确实简单好使，解决了深度学习历程中的一个重大难题（若这个问题没解决，可能深度学习就不能那么深了），而且还方便集成的各种其它网络模型中，同时没有额外增加多少参数量。

由于这货好使，因此很抢手，许多炼丹者们对它进行了五花八门的改造，玩出各种花样，小有名气的有使用分组卷积（Group Convolution）的 ResNeXt 以及加入了空间注意力（Channel Attention）机制的 SE-ResNet 和 SE-ResNeXt，另外还有加入混合注意力（Spacial & Channel Attention）机制的 Residual Attention Net 等一批想混出名堂的年轻人，CW也都“查了它们的身份证”，对它们进行了学习，为了加深印象，基于pytorch框架对这些模型都手撸了一遍，并且测试能跑通，也进行了训练，感兴趣的朋友们可以私聊我分享一波。

注意到本文标题没？带了个'family'，意义很明确，即本文接下来介绍的这批网络模型和 ResNet 都是一个家族的，它们都对原生的残差网络进行了改造，以针对性更好地解决不同类型的任务。当然，文章首先会对大咖 ResNet 进行介绍，其中若有不妥之处欢迎各路高手反馈与指点，感恩！

2020/05/05 更新：

Residual Nets Family 新增一位王者——ResNeSt！被誉为目前最强的 ResNet 改进版，有兴趣了解的朋友们可阅读 CW 的这篇文：你的 ResNet 是时候更新了 —— ResNeSt 来也！

Outline

i). 残差家族的宗师 —— ResNet

ii). 进化 —— ResNetv2

iii). 分工合作 —— ResNeXt

iv). 做事需有“轻重之分” —— SE-ResNet & SE-ResNeXt

v). 更强大、更细致、更专一 —— Residual Attention Net

残差家族的宗师 —— ResNet

Paper: Deep Residual Learning for Image Recognition

谈到深度学习，这个“深”可是很有代表性意义的，更深的网络通常能学习到更丰富的特征，深度神经网络在许多图像任务上取得了一系列的突破，这些现象都表明了网络深度的重要性。

这么说来，更深的网络应该比浅的网络表现好，但实验发现，网络加深了，准确率却下降了，或许大家都下意识地认为可能是梯度消失/爆炸或过拟合造成的，然而并非这样。

浅层网络 vs 深层网络

由上图可以知道，深层网络在训练集上的表现并不如浅层网络，因此这不是过拟合造成的。那么看来是梯度消失/爆炸咯？对不起，让你失望了，也不是！这个小case早已通过各种权重初始化（最常用的有 Xavier 和 Kaming 初始化）和中间层归一化（如 Batch Normalization，想要更多的了解可以看看CW的这篇文来，让你get到 Batch Normalization 的精髓！）方法很大程度上解决了，不然几十层的网络在反向传播时早就玩不下去了（无法收敛）。

那到底是为啥呢？其实说来也有点“玄”。网络更深，层数更多，需要训练的东西也就更多，各层的参数和数据在训练过程中需要相互协同，即各层参数会基于输入数据产生输出，通过反向传播计算误差进行更新，输入输出分布在经过各层处理后分布可能改变，而各层的输入是前一轮的输出，这意味着下一轮前向反馈过程中各层的输入数据分布可能改变，于是这一轮拟合好的参数在下一轮反向传播时更新的“方向”（这一轮叫你去北极，下一轮却改口叫你去南极...）可能发生改变，训练难度更大，因此一昧地加深网络反而导致了退化。

这就成了一个优化问题，既然网络加深了，那么至少也得不差于浅层网络吧，不然多尴尬呀，于是ResNet 拿出了它的大招——残差学习，构造一个表现至少与对应的浅层模型相当的深层模型来进行学习，具体说来，是这样：

假如浅层的输出是x，经过深层后，输出为H(x)，通常来说其它网络模型的做法是训练拟合H(x)，但是 ResNet 比较有个性，它把H(x)看作两部分，即H(x) = x + F(x)，然后再训练拟合这两部分。你可能会说，这不是多此一举吗，搞毛线？你别看这操作简单，但在优化层面上可是有实质性不同的，假如x已是最优，那么f(x)在训练过程中将被push趋近于0，这样，继续加深网络的话，网络也一直处于最优状态而不输于浅层网络了。在这里，F(x) = H(x) - x 被称为“残差映射”（residual mapping），而 x 则称为 恒等映射（identity mapping）。

残差学习模块

上图中的曲线连接称作 shortcut connections（捷径连接），简称shortcut，通常仅执行恒等映射，这种情况下，既没有额外参数，也不增加计算的复杂性；另一种情况就是x经过中间各层后产生的F(x)的通道数与x不一致，此时的shortcut通常会包含卷积层将x的通道数映射到与F(x)一致，使得两者可进行加和（当然，它们的尺度也得一致）。

ResNet 中的残差学习模块有两种形式，如下左图的形式称作 buliding block，用于层数较少的模型，右图的形式称作bottleneck，降低参数数目（想一探究竟的朋友们可以自行了解下1x1卷积降低参数的原因），减少计算量，使得模型能进一步加深。

residual learning modle: building block & bottleneck

一起来看看使用了不同层数的 ResNet 结构，如下图，其中 ResNet18 和 ResNet34 用的是building block，而ResNet50、ResNet101和ResNet152用的是 bottleneck，这些家伙里面“最爱抛头露面”的是 ResNet50 和 ResNet101。

最后提一点，这里ResNet的名称比如ResNet101并不是指其有101层，101指的仅仅是卷积层和全连接层的数目，诸如池化层、归一化层和激活层等这些家伙（内心独白：我们就不配拥有地位吗！？）并没有算进去，计算一下便可知：101 = 1 + (3 + 4 + 23 + 3) x 3 + 1，首尾的两个1分别对应开头的 conv1 和末尾的 fc，中间是 conv2_x，conv3_x，conv4_x 和 conv5_x 总共的卷积层数目。

ResNet的各种结构

进化 —— ResNetv2 vs ResNet

Paper: Identity Mappings in Deep Residual Networks

ResNet 是一个很有个性的家伙，2015年成名后，它进行了一年的修炼，对自己最为得意的残差结构进行了各种魔改，然后进行实验，根据实验结果选取最优秀的那个，最终于2016年进化成ResNetv2。

ResNet “修炼过程全纪录”

在学习过程中，相比结果，过程才是最重要的，这才是成长的时刻。因此先抛开结果不谈，一起来看看上图中的各种残差模块，你知道哪个是 ResNet 最开始用的么，你认为各种结构的合理/不合理性哪里？

一眼看去，貌似中间的（3）很合理，残差中使用的是 weight(也就是卷积Conv)->BN->ReLU，属于我们的常规操作，但是你仔细想想，由于最后是ReLU，这样残差中出来的结果就是非负的，经过多次的前向反馈后 $x_{l+1}$ 可能会单调递增，影响网络的表征能力，因此我们希望残差出来后的结果分布均匀。

OK，明白了，那试着把（3）中残差里最后的 BN+ReLU 移到恒等映射和残差加和之后像（2）一样呢？这样的话其实相当于抵消残差学习的作用了，把 H(x) = x + F(x) 变成了 H(x) = G(x + F(x))，实质上就是拟合一个 G(x') 了，和 H(x) 本质无异。

更具体地来说明下，在 ResNet 里， $x_{l+1} = x_{l} + F(x_{l} )$ ，通过递归计算，对于深层的第L(L > l)层， $x_{L} = x_{l} + \sum_{i=l}^{L-1}F(x_{i} )$ ，相应地，反向传播为：

$\frac{\vartheta loss}{\vartheta x_{l} } = \frac{\vartheta loss}{\vartheta x_{ L} } \cdot \frac{{\vartheta x_{ L } } }{{\vartheta x_{l} } } = \frac{\vartheta loss}{\vartheta x_{ L} } (1 + \frac{\vartheta \sum_{i=l}^{L-1} F(x_{i} )}{\vartheta x_{l} })$

以上这个式子揭示了重要信息：

1). 深层 $x_{L}$ 的梯度得以传递回浅层 $x_{l}$ ；

2). $x_{l}$ 的梯度不会轻易消失，由以上化简结果可知，括号内右边通常不会持续输出-1

因此，要达到以上效果，我们得尽量保持 $x_{l}$ 为恒等映射以及不要改变 addition 之后的分布。

这么一来，就剩下（1）、（4）和（5）了。

先看（1），addition 之后是 ReLU，没有参数，反向传播推导出来与上式一样，残差中是 Conv + BN + ReLU，常规操作，并且最后没有ReLU，没毛病，ResNet中用到的就是它。

（4）和（5）呢？貌似看不出所以然，光看无用，要用实践证明。ResNet 在修炼过程中通过实验发现，（4）和（1）效果差不多，而（5）表现最好，可能是把 BN 放在残差的最开始起到了正则化的作用。（5）这种结构也称作 Pre-Activation，意思是激活层放在卷积层前面，如 BN -> ReLU -> Conv，相对地，常规操作是 Conv -> BN -> ReLU，称作 Post-Activation。

最终，ResNet 采用了（5）这种新型残差模块，进化为ResNetv2。

ResNetv1 vs ResNetv2

分组合作 —— ResNeXt

Paper: Aggregated Residual Transformations for Deep Neural Networks

ResNet 的结构是堆叠式的，即一层层模块串行堆叠，借鉴了VGG的做法，而 GoogleNet 和 Inception 等流派通过实验证明，在设计网络时使用 split->transform->merge 的策略能取得很好的效果，于是 ResNeXt 将两者的思想融合到一起，作为“集大成者”于2017年出道。

ResNet vs ResNeXt

ResNeXt 提到一个概念——Cardinality（简写C），称为自由度，paper原文的解释是变换集的数目（the size of the set of transformations），ResNeXt 的名称也源于此，'X' 指的是 neXt dimension。

如上图右边是 ResNeXt 的 block，其中C=32，将原输入分成（split）32个分支进行卷积变换（transform）后合成（merge）到一起，最后再加上shortcut构成残差模块。注意这32个分支的结构是一样的，这样就不需要对每个分支都设计对应的深度以及卷积核的超参，从而避免网络加深时超参迅速膨胀。另外，每个分支先把输入通道数（上图是256d）压缩到 xd（上图是4d），经transform后在merge前再恢复至原来的通道数，使用类似上图右边这样形式的 block 的 ResNeXt 称作 ResNext32x4d，即将输入分成32组，每组通道数压缩至4。

为了保持与ResNet相当的参数量（而不额外增加），可以利用如下公式计算C和d，拿上图举例：

$C\cdot (256\cdot d + 3\cdot 3\cdot d\cdot d + d\cdot 256) = 256\cdot 64 + 3\cdot 3\cdot 64\cdot 64 + 64\cdot 256$

之所以说 ResNeXt 是集大成者，原因在于其不仅局限于上图这一种形式，它利用堆叠和split-transform-merge的思想可产生许多变形结构，可玩性很高。

ResNeXt 的各种block

（a）是 ResNeXt 使用的原始形式，（b）是类似于GoogleNet 和 Inception-ResNet 的等效形式，（c）是使用了分组卷积（Group Convolution）的等价形式，通过实验证明，（c）性能最好（速度最快），而且结构最为简单，相比于 ResNet 几乎不需做太多改造，主要是将bottleneck 中间那一层3x3卷积层改为使用分组卷积，通常 ResNeXt 多使用的是（c）。

做事需有“轻重之分” —— SE-ResNet & SE-ResNeXt

Paper: Squeeze-and-Excitation Networks （此处是 SENet 的paper）

自从2017-2018年期间不知哪位在业界喊了声“注意力大法好”之后，深度学习领域的许多工作都转向基于注意力（Attention）机制去研究，SE-ResNet 和 SE-ResNeXt 就是把 SENet（Squeeze-And-Exitation Networks）那套给搬过来。另外，这里的注意力指的是通道注意力（Channel-Wise Attention），即每个通道的 feature map 都分配不同的权重，但同一个通道的各像素权重是相同的。

Squeeze & Exitation

简单说下这里通道注意力是怎么生成的，如其名，主要分为两部分：

1). Squeeze：把 feature map 的空间维度（H x W）压缩至 1 x 1，可通过全局（平均/最大）池化完成；

2). Exitation：通过一系列 FC（Fully Connected Layer）和 ReLU 并最终通过 Sigmoid 学到每个通道的注意力因子（系数），可理解为权重系数，通常第一个 FC 会将通道数压缩，以减少计算量。

Exitation

最终将各通道的注意力系数与对应通道的 feature map 相乘便万事大吉。

在 SE-ResNet 与 SE-ResNeXt 中，SE block 用在残差分支后，其中 SE-ResNet 的如下所示。

SE-ResNet Module

更强大、更细致、更专一 —— Residual Attention Net

Paper: Residual Attention Network for Image Classification

上一节谈到的 SE-ResNet 和 SE-ResNeXt 可能会让你觉得并无创新点，那么本节介绍的这家伙—— Residual Attention Net （后文简称 Res-Atn-Net 吧，名字太长了...）就比较有意思了，它的结构主要分为两部分，包括 主干（Trunk）和 软掩膜分支（Soft Mask Branch），主干是残差操作，软掩膜用于生成注意力因子，然后与主干的输出相乘，接着，采用了残差学习的思想把主干的输出与结合了注意力的结果相加（相当于这里把主干的输出看作是恒等映射x，而软掩膜输出与主干输出相乘的结果看作是残差映射F(x)），最终构成这样的一个个注意力模块，堆叠起来。记主干的输出为T(x)，软掩膜分支的输出为M(x)，那么整个注意力模块的输出为：

T(x) + T(x) $\cdot$ M(x) = (1 + M(x)) $\cdot$ T(x)

Res-Atn-Net 结构

1、Trunk（主干）

Res-Atn-Net 采用 Pre-Activation 形式的 ResNeXt 的 bottleneck，把它们堆叠起来构成 Trunk。

2、Soft Mask（软掩膜）

Soft Mask 包含 快速前馈扫描（fast feed-forward sweep）和 自上而下反馈（top-down feedback）步骤。前者用作快速收集图像的全局信息，后者用于将全局信息与原始特征图相结合。具体来说，类似于 FCN（Fully-Convolutional Network）的操作，先对输入执行几次池化以快速增加感受野，达到最低分辨率后，通过一个对称的网络结构使用插值将特征放大回去，然后接2个1×1卷积层，最后通过sigmoid层将输出归一化到 [0, 1] 区间。

另外，在下采样和上采样之间还添加了跳跃连接（skip connections），以融合不同比例 feature map 的特征信息。

3、Mix Attention （空间注意力 + 通道注意力）

这里的注意力“更细致、更专一”，不像上一节的 SE-ResNet 和 SE-ResNeXt 只使用通道注意力，而是把空间注意力也结合上了，即不仅仅每个通道的 feature map 的注意力系数不同，而且同一通道内每个像素的注意力系数也都不同。作者通过实验发现，与单纯地使用空间注意力和通道注意力相比，这种混合注意力机制的效果最好，操作起来也简单，直接对每个位置的像素点使用 Sigmoid：

$f(x_{i,c} ) = \frac{1}{1 + {exp}^{-x_{i,c} } }$

4、Attention Residual Learning （注意力残差学习）

通过实验发现，单纯地叠加注意力模块会导致模型性能的下降，原因主要是 Soft Mask 的输出在 [0, 1] 区间，与 Trunk 输出相乘后会使得输出响应变弱，多层叠加的话容易使得最终输出的特征图每一点的值都变得很小。另外，Soft Mask 也有可能破坏 Trunk 中学到好的特征。于是，Res-Atn-Net 再次用上残差大法，将得到的注意力特征图与主干特征图进行 element-wised add：

其中， $M_{i,c} (x)$ 为 Soft Mask 的输出， $T_{i,c} (x)$ 为 Trunk 的输出，前者可作为选择器，使主干输出特征图中的有效特征增强，而噪声被抑制。同时，如果选择器的选择不好，那么相乘的部分可以被push趋向至0，保留主干输出的结果，使得主干不至于被破坏。于是，不断地叠加这样的注意力模块便可以逐渐提升网络的表达能力，也就更“强大”。