【机器学习300问】106、Inception网络结构如何设计的？这么设计的目的是什么？

news2024/11/19 8:47:18

谷歌的Inception网络，也被称为GoogLeNet，是Google在2014年推出的一种深度卷积神经网络（CNN）模型，在这之前的AlexNet、VGG等结构都是通过增大网络的深度（层数）来获得更好的训练效果，但层数的增加会带来很多负作用，比如overfit、梯度消失、梯度爆炸等。Inception网络的核心组成部分是所谓的"Inception模块"，这是对传统卷积神经网络架构的创新。

一、Inception模块

（1）Inception模块

Inception模块的基本设计理念是通过在一个层内并行地使用不同大小的卷积核（例如1x1, 3x3, 5x5）以及最大池化操作，能够在不显著增加计算负担的前提下，捕获图像的不同尺度特征。具体来说，模块包含以下几个部分：

按照上图中Inception模块中的几个部分，一个个介绍一下他们的作用：

1x1卷积层：Inception模块中的1x1卷积层不仅用于减少计算量，还能够有效控制网络中的参数数量。通过降低特征图的深度（通道数），它减轻了网络的复杂性，从而减少了梯度在深层网络中传播时可能遇到的路径数量，防止梯度爆炸和梯度消失。
3x3和5x5卷积层：Inception模块通过并行使用不同大小的卷积核和池化操作，能够在不同的尺度上提取特征，这增加了网络的多样性，减少了单一路径上的依赖，从而间接帮助梯度更好地传播。但5x5卷积因其较大的感受野而计算成本较高，因此较少使用。
最大池化层：增加模型对不同尺度信息的鲁棒性。
拼接输出：会在深度维度上被拼接（Filter concatenation），形成一个具有丰富特征表示的输出。

（2）Inception网络架构

通常Inception网络是从几个传统的卷积层开始，用于初步特征提取。然后网络主体由多个Inception模块堆叠而成，每个模块根据需要可能包含不同数量的卷积层和不同配置的Inception结构。在最后的几个模块之后，会使用全局平均池化层来替代全连接层，这一步骤可以显著减少参数数量，同时保持模型的判别能力。之后，通常会接一个或几个全连接层用于最终的分类任务。

Inception网络经历了多次迭代，从Inception V1到V4，以及Xception等变种。这些后续版本在基础Inception模块上进行了优化，例如引入了批量归一化、因子分解卷积、残差连接等技术，以进一步提高模型的效率和准确性，同时继续解决梯度消失和过拟合等问题。

二、Inception网络结构的优点

Inception网络无需人为干预以确定使用哪个过滤器或是否进行池化操作，这些参数均由网络内部机制自主决定。你可以给网络添加这些参数的所有可能值，并通过连接这些输出，让网络在训练过程中自我学习，以优化其参数配置，并确定最佳的过滤器组合。

（1）多尺度并行处理

Inception模块通过并行使用不同大小的卷积核和池化操作，自动地在不同尺度上捕捉特征，这在一定程度上模拟了“自主决定”各种滤波器尺寸的效果，无需人工精确选择单一最优尺寸。这种设计减少了对人工特征工程的依赖，提高了模型的泛化能力。

（2）高效利用计算资源

通过使用1x1卷积核进行降维，以及分解大尺寸卷积（如用两个3x3卷积代替一个5x5卷积），Inception网络在保持强大表达能力的同时，有效控制了模型的复杂度和计算成本，这是其一大优势。这里用一个例子来说明一下：

① 不包含1x1卷积模块的情况

参数量：

对于一个5x5卷积层，如果输入通道数为256，输出通道数为64，则参数量为卷积核的尺寸乘以输入通道数再乘以输出通道数，即 $5\times 5\times 256\times 256$

连接数：

每个神经元的连接数包括所有输入通道上的权重加上一个偏置项。对于5x5卷积核，每个输出通道有 $5\times 5\times 256+1$ 个连接。总连接数为每个输出通道的连接数乘以输出通道数再乘以输出特征图的尺寸，即 $(5\times 5\times 256\times 256)\times 64 \times n^2$

② 包含1x1卷积模块的情况

在Inception结构中，通常会在5x5卷积之前使用1x1卷积来进行降维，假设1x1卷积的输出通道数为32，这样可以减少后续5x5卷积的计算负担。

参数量：

1x1卷积参数量： $1 \times 1 \times 256 \times 32$
5x5卷积参数量：在经过1x1卷积降维后，输入通道变为32，所以参数量为 $5 \times 5 \times 32 \times 64$

连接数：

1x1卷积的每个输出通道有 $1 \times 1 \times 256 + 1$ 个连接，总共 $(1 \times 1 \times 256 + 1) \times 32 \times n^2$ 个连接。
5x5卷积的每个输出通道有 $5 \times 5 \times 32 + 1$ 个连接，总共有 $(5 \times 5 \times 32 + 1) \times 64 \times n^2$ 个连接。
总连接数为两部分之和