经典卷积神经网络总结:LeNet-5、AlexNet、ZFNet、VGG、GoogleNet、ResNet

1.LeNet-5—-1998

LeNet-5是卷积网络的开上鼻祖，它是用来识别手写邮政编码的，论文可以参考Haffner. Gradient-based learning applied to document recognition.

大名鼎鼎的LeNet5诞生于1994年，是最早的深层卷积神经网络之一，并且推动了深度学习的发展。从1988年开始，在多次成功的迭代后，这项由Yann LeCun完成的开拓性成果被命名为LeNet5。LeCun认为，可训练参数的卷积层是一种用少量参数在图像的多个位置上提取相似特征的有效方式，这和直接把每个像素作为多层神经网络的输入不同。像素不应该被使用在输入层，因为图像具有很强的空间相关性，而使用图像中独立的像素直接作为输入则利用不到这些相关性。

LeNet-5网络架构如下图：



LeNet-5的特点:

(1)每个卷积层包含三个部分：卷积、池化和非线性激活函数

(2)使用卷积提取空间特征

(3)降采样（Subsample）的平均池化层（Average Pooling）

(4)双曲正切（Tanh）或S型（Sigmoid）的激活函数

MLP作为最后的分类器

(5)层与层之间的稀疏连接减少计算复杂度

2.AlexNet—-2012

AlexNet可以说是现代深度CNN的奠基之作。2012年，Hinton的学生Alex Krizhevsky提出了深度卷积神经网络模型AlexNet，它可以算是LeNet5的一种更深更宽的版本。AlexNet中包含了几个比较新的技术点，也首次在CNN中成功应用了ReLU、Dropout和LRN等。同时AlexNet也使用了GPU进行运算加速.

AlexNet包含了6亿3000万个连接，6000万个参数和65万个神经元，拥有5个卷积层，其中3个卷积层后面连接了最大池化层，最后还有3个全连接层。AlexNet以显著的优势赢得了竞争激烈的ILSVRC 2012比赛，top-5的错误率降低至了16.4%，相比第二名的成绩26.2%错误率有了巨大的提升。

AlexNet可以说是神经网络在低谷期后的第一次发声，确立了深度学习（深度卷积网络）在计算机视觉的统治地位，同时也推动了深度学习在语音识别、自然语言处理、强化学习等领域的拓展。

AlexNet将LeNet的思想发扬光大，把CNN的基本原理应用到了很深很宽的网络中。网络架构如下图：



AlexNet的新特点：

(1)成功使用ReLU作为CNN的激活函数，并验证其效果在较深的网络超过了Sigmoid，成功解决了Sigmoid在网络较深时的梯度弥散问题，此外，加快了训练速度，因为训练网络使用梯度下降法，非饱和的非线性函数训练速度快于饱和的非线性函数。。虽然ReLU激活函数在很久之前就被提出了，但是直到AlexNet的出现才将其发扬光大。

(2)训练时使用Dropout随机忽略一部分神经元，以避免模型过拟合。Dropout虽有单独的论文论述，但是AlexNet将其实用化，通过实践证实了它的效果。在AlexNet中主要是最后几个全连接层使用了Dropout。

(3)在CNN中使用重叠的最大池化。此前CNN中普遍使用平均池化，AlexNet全部使用最大池化，避免平均池化的模糊化效果。并且AlexNet中提出让步长比池化核的尺寸小，这样池化层的输出之间会有重叠和覆盖，提升了特征的丰富性。

(4)提出了LRN层，对局部神经元的活动创建竞争机制，使得其中响应比较大的值变得相对更大，并抑制其他反馈较小的神经元，增强了模型的泛化能力。

(5)使用CUDA加速深度卷积网络的训练，利用GPU强大的并行计算能力，处理神经网络训练时大量的矩阵运算。AlexNet使用了两块GTX?580?GPU进行训练，单个GTX?580只有3GB显存，这限制了可训练的网络的最大规模。因此作者将AlexNet分布在两个GPU上，在每个GPU的显存中储存一半的神经元的参数。

(6)数据增强，随机地从256*256的原始图像中截取224*224大小的区域（以及水平翻转的镜像），相当于增加了(256224)2*2=2048倍的数据量。如果没有数据增强，仅靠原始的数据量，参数众多的CNN会陷入过拟合中，使用了数据增强后可以大大减轻过拟合，提升泛化能力。进行预测时，则是取图片的四个角加中间共5个位置，并进行左右翻转，一共获得10张图片，对他们进行预测并对10次结果求均值。

整个AlexNet有8个需要训练参数的层（不包括池化层和LRN层），前5层为卷积层，后3层为全连接层，如上图所示。AlexNet最后一层是有1000类输出的Softmax层用作分类。LRN层出现在第1个及第2个卷积层后，而最大池化层出现在两个LRN层及最后一个卷积层后。各层参数计算如下：



我们可以发现一个现象，在前几个卷积层，虽然计算量很大，但参数量很小，都在1M左右甚至更小，只占AlexNet总参数量的很小一部分。这就是卷积层有用的地方，可以通过较小的参数量提取有效的特征。虽然每一个卷积层占整个网络的参数量的1%都不到，但是如果去掉任何一个卷积层，都会使网络的分类性能大幅地下降。

3.ZFNet—-2013

ZFNet是2013你那ILSVRC的冠军。ZFNet论文为Visualizing and Understanding Convolutional Networks。ZFNet的网络结构，是在AlexNet上进行了微调，其网络架构如下：



ZFNet的意义不在于它获得了2013年ILSVRC的冠军，而是解释了为什么CNNs有非常好的性能、如何提高CNN性能。其论文主要贡献如下：

(1)使用反卷积，可视化feature map。通过feature map可以看出，特征分层次体系结构。前面的层学习的是物理轮廓、边缘、颜色、纹理等特征，后面的层学习的是和类别相关的抽象特征。越是高层的特征，其用来做分类的性能越好。

(2)与AlexNet相比，前面的层使用了更小的卷积核和更小的步长，保留了更多特征。

(3)通过遮挡，找出了决定图像类别的关键部位。通过实验，说明了深度增加时，网络可以学习到更具区分的特征。

(4)网络训练时，低层参数收敛快，越到高层，则需要越长的时间训练，才能收敛。

3.1Deconvnet实现特征可视化

为了解释卷积神经网络为什么work，我们就需要解释CNN的每一层学习到了什么东西。为了理解网络中间的每一层，提取到特征，paper通过反卷积的方法，进行可视化。反卷积网络可以看成是卷积网络的逆过程。反卷积网络在文献《Adaptive deconvolutional networks for mid and high level feature learning》中被提出，是用于无监督学习的。然而本文的反卷积过程并不具备学习的能力，仅仅是用于可视化一个已经训练好的卷积网络模型，没有学习训练的过程。

反卷积可视化以各层得到的特征图作为输入，进行反卷积，得到反卷积结果，用以验证显示各层提取到的特征图。举个例子：假如你想要查看Alexnet 的conv5提取到了什么东西，我们就用conv5的特征图后面接一个反卷积网络，然后通过：反池化、反激活、反卷积，这样的一个过程，把本来一张13*13大小的特征图(conv5大小为13*13)，放大回去，最后得到一张与原始输入图片一样大小的图片(227*227)。示意图如下：



Note: Unpooling：在max-pooling中利用switches表格记录每个最大值的位置，然后在unpooling中奖该位置填回最大数值，其余位置填0。示意图见Figure1底部。

4.VGGnet—-2014

VGGNet是牛津大学计算机视觉组（Visual Geometry Group）和Google DeepMind公司的研究员一起研发的深度卷积神经网络。VGGNet探索了卷积神经网络的深度与其性能之间的关系，通过反复堆叠3*3的小型卷积核和2*2的最大池化层，VGGNet成功地构筑了16~19层深的卷积神经网络。VGGNet相比之前state-of-the-art的网络结构，错误率大幅下降，并取得了ILSVRC 2014比赛分类项目的第2名和定位项目的第1名。

VGGNet论文中全部使用了3*3的卷积核和2*2的池化核，通过不断加深网络结构来提升性能。VGG-16和VGG-19结构如下：



VGG-16网络的各层参数、需要内存计算如下：