残差网络ResNet网络原理及实现

论文地址：https://arxiv.org/pdf/1512.03385.pdf

1、引言-深度网络的退化问题

在深度神经网络训练中，从经验来看，随着网络深度的增加，模型理论上可以取得更好的结果。但是实验却发现，深度神经网络中存在着退化问题(Degradation problem)。可以看到，在下图中56层的网络比20层网络效果还要差。

上面的现象与过拟合不同，过拟合的表现是训练误差小而测试误差大，而上面的图片显示训练误差和测试误差都是56层的网络较大。

深度网络的退化问题至少说明深度网络不容易训练。我们假设这样一种情况，56层的网络的前20层和20层网络参数一模一样，而后36层是一个恒等映射( identity mapping)，即输入x输出也是x，那么56层的网络的效果也至少会和20层的网络效果一样，可是为什么出现了退化问题呢？因此我们在训练深层网络时，训练方法肯定存在的一定的缺陷。

正是上面的这个有趣的假设，何凯明博士发明了残差网络ResNet来解决退化问题！让我们来一探究竟！

2、ResNet网络结构

ResNet中最重要的是残差学习单元：

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 。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。一个残差单元的公式如下：

后面的x前面也需要经过参数Ws变换，从而使得和前面部分的输出形状相同，可以进行加法运算。

在堆叠了多个残差单元后，我们的ResNet网络结构如下图所示：

3、ResNet代码实战

我们来实现一个mnist手写数字识别的程序。代码中主要使用的是tensorflow.contrib.slim中定义的函数，slim作为一种轻量级的tensorflow库，使得模型的构建，训练，测试都变得更加简单。卷积层、池化层以及全联接层都可以进行快速的定义，非常方便。这里为了方便使用，我们直接导入slim。

import tensorflow.contrib.slim as slim

我们主要来看一下我们的网络结构。首先定义两个残差结构，第一个是输入和输出形状一样的残差结构，一个是输入和输出形状不一样的残差结构。

下面是输入和输出形状相同的残差块，这里slim.conv2d函数的输入有三个，分别是输入数据、卷积核数量、卷积核的大小，默认的话padding为SAME，即卷积后形状不变，由于输入和输出形状相同，因此我们可以在计算outputs时直接将两部分相加。

def res_identity(input_tensor,conv_depth,kernel_shape,layer_name):
    with tf.variable_scope(layer_name):
        relu = tf.nn.relu(slim.conv2d(input_tensor,conv_depth,kernel_shape))
        outputs = tf.nn.relu(slim.conv2d(relu,conv_depth,kernel_shape) + input_tensor)
    return outputs

下面是输入和输出形状不同的残差块，由于输入和输出形状不同，因此我们需要对输入也进行一个卷积变化，使二者形状相同。ResNet作者建议可以用1*1的卷积层，stride=2来进行变换：

def res_change(input_tensor,conv_depth,kernel_shape,layer_name):
    with tf.variable_scope(layer_name):
        relu = tf.nn.relu(slim.conv2d(input_tensor,conv_depth,kernel_shape,stride=2))
        input_tensor_reshape = slim.conv2d(input_tensor,conv_depth,[1,1],stride=2)
        outputs = tf.nn.relu(slim.conv2d(relu,conv_depth,kernel_shape) + input_tensor_reshape)
    return outputs

最后是整个网络结构，对于x的输入，我们先进行一次卷积和池化操作，然后接入四个残差块，最后接两层全联接层得到网络的输出。

def inference(inputs):
    x = tf.reshape(inputs,[-1,28,28,1])
    conv_1 = tf.nn.relu(slim.conv2d(x,32,[3,3])) #28 * 28 * 32
    pool_1 = slim.max_pool2d(conv_1,[2,2]) # 14 * 14 * 32
    block_1 = res_identity(pool_1,32,[3,3],'layer_2')
    block_2 = res_change(block_1,64,[3,3],'layer_3')
    block_3 = res_identity(block_2,64,[3,3],'layer_4')
    block_4 = res_change(block_3,32,[3,3],'layer_5')
    net_flatten = slim.flatten(block_4,scope='flatten')
    fc_1 = slim.fully_connected(slim.dropout(net_flatten,0.8),200,activation_fn=tf.nn.tanh,scope='fc_1')
    output = slim.fully_connected(slim.dropout(fc_1,0.8),10,activation_fn=None,scope='output_layer')
    return output

完整的代码地址在：https://github.com/princewen/tensorflow_practice/tree/master/CV/ResNet

参考文献：

1、论文：https://arxiv.org/pdf/1512.03385.pdf 2、https://blog.csdn.net/kaisa158/article/details/81096588?utm_source=blogxgwz4

有关作者：

石晓文，中国人民大学信息学院在读研究生，美团外卖算法实习生

简书ID：石晓文的学习日记(https://www.jianshu.com/u/c5df9e229a67)

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