CNN经典算法VGGNet介绍

本文是深度学习经典算法解读的一部分：https://www.datalearner.com/blog/1051558603213207

来源论文：[Simonyan, Karen, and Andrew Zisserman. "Very deep convolutional networks for large-scale image recognition." arXiv preprint arXiv:1409.1556 (2014).](https://arxiv.org/pdf/1409.1556.pdf%20http://arxiv.org/abs/1409.1556)

VGGNet（Visual Geometry Group）是2014年又一个经典的卷积神经网络。VGGNet最主要的目标是试图回答“如何设计网络结构”的问题。随着AlexNet提出，很多人开始利用卷积神经网络来解决图像识别的问题。一般的做法都是重复几层卷积网络，每个卷积网络之后接一些池化层，最后再加上几个全连接层。而VGGNet的提出，给这些结构设计带来了一些标准参考。

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#### 一、VGGNet的出发点
在VGGNet的论文中，作者主要探究了卷积网络深度的影响。其最主要的贡献是使用较小的卷积核，但较深的网络层次来提升深度学习的效果。在此之前，有很多研究者利用如较小的receptive window size和步长等技巧来提升网络效果。而在这边文章中，作者的主要目标是探索深度学习深度的影响。作者固定了网络中其他的参数，通过缓慢的增加网络的深度来探索网络的效果。

先前的网络使用的接受野都是较大的。例如AlexNet的第一层使用的是11x11、步长为4的卷积核扫描。而VGGNet全部使用很小的3x3、步长为1的卷积核来扫描输入。可以看到，如果将两个这样的卷积核堆起来，和5x5的卷积核效果一样，如果是三个堆叠，其效果等同于7x7。

这里解释一下，“堆叠”的意思是先用3x3扫描一次，再用3x3对结果继续扫描一次。所以，加入输入的长为n，那么3x3扫描一次的结果是(n-3)/1+1 = n-2，再扫描一次就是(n-2-3)/1+1=n-4。如果卷积核是5x5，那么扫描一次n的输入就是(n-5)/1+1 = n-4。其结果是一样的。VGGNet思想就是用更小更深的卷积核代替大的卷积核。

关于卷积核维度计算参考：[深度学习卷积操作的维度计算](https://www.datalearner.com/blog/1051547987606439)

作者是这样解释为什么使用3个3x3卷积核堆叠代替一个7x7的卷积核的：首先，使用更深的层可以使得函数具有更好的分辨能力；其次，通过这样做也可以减少参数。例如，假设输入是C个通道的3x3的矩阵，那么堆叠3次3x3的卷积网络的参数是$3(3^2C^2)=27C^2$，而使用一个7x7的卷积核的参数是$7^2C^2=49C^2$。

在之前的论文中，也有人使用了较小的卷积核，但是他们的网络都比VGGNet的网络深度浅。

#### 二、VGGNet的网络结构
VGGNet的网络结构如下：

<center>![](https://cdn-images-1.medium.com/max/1600/0*HREIJ1hjF7z4y9Dd.jpg)</center>
<center></center>

从上图可以看到，A-E的网络深度都是越来越深的，其主要的区别在于网络深度。卷积层参数的含义是"conv(receptive filed size)-(number of channels)"。作者使用的激活函数是ReLU，表中为了简洁没有列出来了。表2列出了所有网络的参数数量。

#### 三、VGGNet的特点
相比较而言，VGGNet的参数数量还是太多了，所以比较难以处理。但是，VGGNet提供了简单统一的网络结构标准，即所有的卷积核大小都是3x3的。而且manxpooling都是每2（也有3次的）次卷积之后进行一次，卷积核的数量在每次maxpooling之后都翻一倍。此外，<font color=red>VGGNet最重要的贡献是证明了分类任务可以通过使用小的卷积核增加CNN的深度来提高精度。</font>。同时，作者公开了VGGNet的权重配置，它的预训练结果被用来处理很多任务。也作为特征抽取的基准被很多研究对比使用。

#### 四、VGGNet预训练模型及代码资源
VGGNet被用来作为预训练也是广为人知的，下面列举几个预训练的模型。

Keras：https://gist.github.com/baraldilorenzo/07d7802847aaad0a35d3
Tensorflow: http://download.tensorflow.org/models/vgg_19_2016_08_28.tar.gz
PyTorch各种版本：https://chsasank.github.io/vision/_modules/torchvision/models/vgg.html

VGGNet代码：https://gist.github.com/baraldilorenzo/07d7802847aaad0a35d3

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