Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition(VGG模型)

最近在看imagenet  ILSVRC2015 比赛结果，除了 msra 的深度残差神经网络外，采用最多的还是 googlenet和VGG这两种网络模型， 优化方法上更多的使用了batch nomalization,prelu等，大多团队都是这两个模型上改进，采用新的优化方法，多模型融合等。这里重点总结一下VGG，

本文是牛津大学 visual geometry group（VGG）Karen Simonyan 和Andrew Zisserman 于14年撰写的论文，主要探讨了深度对于网络的重要性；并建立了一个19层的深度网络获得了很好的结果；在ILSVRC上定位第一，分类第二。
一：摘要
……
从Alex-net发展而来的网络主要修改一下两个方面：
1，在第一个卷基层层使用更小的filter尺寸和间隔；
2，在整个图片和multi-scale上训练和测试图片。
二：网络配置
2.1配置
2.1.1 小的Filter尺寸为3*3
卷积的间隔s=1；3*3的卷基层有1个像素的填充。
1：3*3是最小的能够捕获上下左右和中心概念的尺寸。
2：两个3*3的卷基层的有限感受野是5*5；三个3*3的感受野是7*7，可以替代大的filter尺寸
3：多个3*3的卷基层比一个大尺寸filter卷基层有更多的非线性，使得判决函数更加具有判决性。
4：多个3*3的卷积层比一个大尺寸的filter有更少的参数，假设卷基层的输入和输出的特征图大小相同为C，那么三个3*3的卷积层参数个数3*（3*3*C*C）=27CC；一个7*7的卷积层参数为49CC；所以可以把三个3*3的filter看成是一个7*7filter的分解（中间层有非线性的分解）。
2.1.2 1*1 filter:
作用是在不影响输入输出维数的情况下，对输入线进行线性形变，然后通过Relu进行非线性处理，增加网络的非线性表达能力。
Pooling：2*2，间隔s=2；
2.2 结构



和之前流行的三阶段网络不通的是，本文是有5个max-pooling层，所以是5阶段卷积特征提取。每层的卷积个数从首阶段的64个开始，每个阶段增长一倍，直到达到最高的512个，然后保持。
基本结构A：
Input（224,224,3）→64F（3,3,3,1）→max-p(2,2)→128F（3,3,64,1）→max-p(2,2) →256F（3,3,128,1）→256F（3,3,256,1）→max-p(2,2)→512F（3,3,256,1）→512F（3,3,512,1）→max-p(2,2)→512F（3,3,256,1）→512F（3,3,512,1）→max-p(2,2)→4096fc→4096fc→1000softmax
8个卷基层，3个全连接层，共计11层；作者只说明了使用3*3filter的原因，至于层数，阶段数，特征数为什么这么设计，作者并没有说明。
参数个数：网络E和OverFeat模型参数差不多



B：在A的stage2 和stage3分别增加一个3*3的卷基层，10个卷积层，总计13层
C：在B的基础上，stage3，stage4，stage5分别增加1*1的卷积层，13个卷基层，总计16层
D：在C的基础上，stage3，stage4，stage5分别增加3*3的卷积层，13个卷基层，总计16层
E：在D的基础上，stage3，stage4，stage5分别增加3*3的卷积层，16个卷基层，总计19层
 三，分类框架
3.1训练参数设置
      Minibatch=256，其它的都一样。
作者发现，尽管VGG比Alex-net有更多的参数，更深的层次；但是VGG需要很少的迭代次数就开始收敛。这是因为
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
pre-initialisation：网络A的权值W~（0,0.01）的高斯分布，bias为0；由于存在大量的ReLU函数，不好的权值初始值对于网络训练影响较大。为了绕开这个问题，作者现在通过随机的方式训练最浅的网络A；然后在训练其他网络时，把A的前4个卷基层（感觉是每个阶段的以第一卷积层）和最后全连接层的权值当做其他网络的初始值，未赋值的中间层通过随机初始化。
Multi-scale 训练
      把原始 image缩放到最小边S>224；然后在full image上提取224*224片段，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：类似OverFeat测试时使用的方法，在[Smin,Smax]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。
3.2 测试
测试阶段的方法和OverFeat测试方法相同，首先选定一个scale：Q，然后在这个图片上应用卷积网络，在最后一个卷积阶段产生unpooled FM，然后利用sliding window方法，每个pooling window产生一个分类输出，然后融合各个pooling window的结果，得到最终分类。这样比10-view更加高效，只需计算一次卷积过程。
3.3 部署细节
      利用C++ Caffe toolbox，在4个Titan Gpu上并行计算，比单独GPU快3.75倍，每个网络差不多2-3周。
四，分类实验
4.1 测试阶段single-scale对比



A vs A-LRN：A-LRN结果没有A好，说明LRN作用不大。
A vs B,C,D,E：越深越好
A vs C：增加1*1filter，即增加额外的非线性确实提升效果
C vs D：3*3的filter比1*1filter要好，使用较大的filter能够捕捉更大的空间特征。
训练方法：在scale区间[256;512]通过scale增益来训练网络，比在固定的两个S=256和S=512，结果明显提升。Multi-scale训练确实很有用，因为ZF论文中，卷积网络对于缩放有一定的不变性，通过multi-scale训练可以增加这种不变性的能力。
4.2 Multi-scale训练
方法1：single-scale训练 S，multi-scale测试 {S-32,S,S+32}
方法2：multi-scale训练[Smin;Smax]，multi-scale测试{Smin，middle，Smax}
结果：此处结果为B’



1 B vs B’, C vs C’,……:single-scale训练，利用multi-scale测试，有0.2%的top-5提升。
2 B-256 vs B-384 ……：single-scale在256和348上训练，无论用什么测试方法，结果基本上差不多。说明网络在单个scale上提取能力有限。
3 multi-scale训练，multi-scale测试，对于网络提升明显，D’和E’的top-5分类达到了7.5%。
4.3 模型融合
通过结果求平均，融合上面不同网络的结果。



模型融合结果如上图，比较有意思的是，模型D和E两个顶尖模型融合的结果比融合7个模型的结果还要好。这个比较有意思，模型融合个数多，反而没有两个网络的好。这个是为什么？没有想明白。
4.4和其他网络比较
本文的结果和博文9中的结果有一些差距，感觉可能是训练平台和方法的原因，不同的训练平台和方法对于结果也有影响。



五，定位
5.1 定位网络
和OverFeat的方法类似，使用模型D（参数最少，表现最好）通过回归函数来替换分类器，两种分类方法：SCR(single-classregression)，用一个回归函数来学习预测所有类别的bounding box；PCR（per-class regression）每个类别有自己单独的一个回归函数。
训练：分别在S=256和S=384上训练两个模型，网络反馈学习时，探究了两种情况1，fine tuning整个网络；2，只调整全连接层。
测试：
第一种测试框架：定位网络只应用在图像的裁剪中心，用于比较不同的网络修改下性能。



1，发现fine-tuning整个网络的定位性能，比值调整全连接层权值的定位结果要好。
2，PCR比SCR结果好，这个和OverFeat的结果相反。
所以最好的定位方法是采用PCR，fine-tuning整个网络。
第二种测试框架：利用OverFeat的贪婪融合过程（不使用offset pooling），在整个图像上密集应用定位网络；首先根据softmax分类结果给定bounding box的置信得分，然后融合空间相似的bounding box，最后选取最大置信得分的bounding box。
在不同scale下，定位结果。



1，适当的scale对于定位结果有影响S=384好于S=256。
2，multi-scale比single-scale好。
3，multi-model fusion会更好。
和其它state-of-the-art方法比较：



在使用较少的scale下，在不使用offset pooling情况下，本文的结果比OverFeat提高很多；曹成这种提高的原因主要在于网络结构上的不同，好网络，好分类，好定位，估计还有好检测。
六，结论
深度是获得好结果的关键。
一些理解和困惑
感觉本文在网络探讨阶段和博文9中探索最优网络比较类似；都是首先提出一个结果不错的基础网络A，然后在网络A上进行一些列的修改，一步一步地提高网络性能，进而探索好的网络设计应该是什么样的；博文9平衡网络各个因素探讨的方式比本文比计较复杂度情况下增加深度，更加精细。而且两篇文章的关于深度的结论相同，深度可以提升结果，但是深度会饱和。
这里最大的疑问就是他们的网络A是怎么提来的。
博文9中的A结构：
Input（224,224,3）→64F(7,7,3,s=2) →max-p(3,3,3)→128F(5,5,64)
→max-p(2,2,2) →256F(3,3,128)→256F(3,3,256)→256F(3,3,256)→spp(6*6,3*3,2*2,1*1)→4096fc→4096fc→softmax
感觉博文9的结构借鉴了Alex-net，ZF-net和本文的VGG，例如这种三段式结构是从瘦身版的Alex-net和ZF-net中来的，第一个卷积层有64个filter而不是96个，感觉是借鉴了本文第一卷积层的结构；还有就是可能依据本文或OverFeat中剔除了LRN。
但是本文的结构就找不到关系了， 5阶段，filter的个数尺寸，网络结构等64-128-256-512-512；使用3*3小filter作者已经解释了原因，但是这个关键的网络结构作者并没有给出具体的设计依据，而是直接给出了结果；感觉一个是凭借经验，再有就是凭借实验；结合博文9中的观点，感觉VGG网络还可以利用其中层析替换思想来提高分类结果。
里一个困惑，就是“PCR比SCR结果好，这个和OverFeat的结果相反”；OverFeat中在三scale下 SCR-vs-PCR为31.3-vs-44.1;SCR要明显好于PCR，OverFeat作者的解释是PCR顶层有更多的回归函数，继而有更多的参数，而每个类别的训练样本有限，导致每个类别的回归函数不能够很好的训练；但是本文作者的网络中PCR明显好于SCR，训练样本并没有增多，现在感觉OverFeat这种每类训练样本少的解释合理性有待商榷；此外网络结构不同感觉是两个结果区别的关键，除卷积提取阶段不同外；全连接层的结构也不同OverFeat网络是4096-1024-regression；本文的网络是4096-4096-regression；从对比来看造成这种差距的原因估计是网络结果上的问题；但是这个可以解释为什么本文的结果比OverFeat的结果好，如果用网络结构来解释PCR比SCR好，感觉有些牵强。所以感觉PCR和SCR两种预测bounding
box方法的影响因素，还是有些不明白。“还有一个不同的地方就是在上面的测试中，本文给出了图片真正的分类，然后更具真是的类比，预测bounding box；而不是采用先预测分类，在预测bounding box的方法” 。