DL中六个卷积模型汇总

本文目录

  1. 卷积与互相关
  2. 3D卷积
  3. 转置卷积
  4. 扩张卷积
  5. 可分卷积
  6. 分组卷积

卷积与互相关

在信号处理、图像处理和其它工程/科学领域,卷积都是一种使用广泛的技术。在深度学习领域,(CNN)这种模型架构就得名于这种技术。但是,深度学习领域的卷积本质上是信号/图像处理领域内的互相关(cross-correlation)。这两种操作之间存在细微的差别。

卷积是两个函数中一个函数经过反转和位移后再相乘得到的积的积分。
互相关是两个函数之间的滑动点积或滑动内积。互相关中的过滤器不经过反转,而是直接滑过函数。

3D卷积

3D 卷积,通常而言,我们仍在深度学习中称之为 2D 卷积。这是在 3D 体积数据上的 2D 卷积。过滤器深度与输入层深度一样。这个 3D 过滤器仅沿两个方向移动(图像的高和宽)。这种操作的输出是一张 2D 图像(仅有一个通道)。

很自然,3D 卷积确实存在。这是 2D 卷积的泛化。3D 卷积,其过滤器深度小于输入层深度(核大小<通道大小)。因此,3D 过滤器可以在所有三个方向(图像的高度、宽度、通道)上移动。在每个位置,逐元素的乘法和加法都会提供一个数值。因为过滤器是滑过一个 3D 空间,所以输出数值也按 3D 空间排布。也就是说输出是一个 3D 数据。

转置卷积(去卷积)

对于很多网络架构的很多应用而言,我们往往需要进行与普通卷积方向相反的转换,即我们希望执行上采样。例子包括生成高分辨率图像以及将低维特征图映射到高维空间,比如在自动编码器或形义分割中。(在后者的例子中,形义分割首先会提取编码器中的特征图,然后在解码器中恢复原来的图像大小,使其可以分类原始图像中的每个像素。)

实现上采样的传统方法是应用插值方案或人工创建规则。而神经网络等现代架构则倾向于让网络自己自动学习合适的变换,无需人类干预。为了做到这一点,我们可以使用。

转置卷积在文献中也被称为去卷积或 fractionally strided convolution。但是,需要指出「去卷积(deconvolution)」这个名称并不是很合适,因为转置卷积并非信号/图像处理领域定义的那种真正的去卷积。从技术上讲,信号处理中的去卷积是卷积运算的逆运算。但这里却不是这种运算。因此,某些作者强烈反对将转置卷积称为去卷积。人们称之为去卷积主要是因为这样说很简单。后面我们会介绍为什么将这种运算称为转置卷积更自然且更合适。

我们一直都可以使用直接的卷积实现转置卷积。对于一个 2×2 的输入(周围加了 2×2 的单位步长的零填充)上应用一个 3×3 核的转置卷积。上采样输出的大小是 4×4。

有趣的是,通过应用各种填充和步长,我们可以将同样的 2×2 输入图像映射到不同的图像尺寸。下面,转置卷积被用在了同一张 2×2 输入上(输入之间插入了一个零,并且周围加了 2×2 的单位步长的零填充),所得输出的大小是 5×5。

扩张卷积(Atrous卷积)

扩张卷积就是通过在核元素之间插入空格来使核「膨胀」。新增的参数 l(扩张率)表示我们希望将核加宽的程度。具体实现可能各不相同,但通常是在核元素之间插入 l-1 个空格。下面展示了 l = 1, 2, 4 时的核大小。

3×3 的红点表示经过卷积后,输出图像是 3×3 像素。尽管所有这三个扩张卷积的输出都是同一尺寸,但模型观察到的感受野有很大的不同。l=1 时感受野为 3×3,l=2 时为 7×7。l=3 时,感受野的大小就增加到了 15×15。有趣的是,与这些操作相关的参数的数量是相等的。我们「观察」更大的感受野不会有额外的成本。因此,扩张卷积可用于廉价地增大输出单元的感受野,而不会增大其核大小,这在多个扩张卷积彼此堆叠时尤其有效。

可分卷积

空间可分卷积

空间可分卷积操作的是图像的 2D 空间维度,即高和宽。从概念上看,空间可分卷积是将一个卷积分解为两个单独的运算。对于下面的示例,3×3 的 Sobel 核被分成了一个 3×1 核和一个 1×3 核。

在卷积中,3×3 核直接与图像卷积。在空间可分卷积中,3×1 核首先与图像卷积,然后再应用 1×3 核。这样,执行同样的操作时仅需 6 个参数,而不是 9 个。

此外,使用空间可分卷积时所需的矩阵乘法也更少。给一个具体的例子,5×5 图像与 3×3 核的卷积(步幅=1,填充=0)要求在 3 个位置水平地扫描核(还有 3 个垂直的位置)。总共就是 9 个位置,表示为下图中的点。在每个位置,会应用 9 次逐元素乘法。总共就是 9×9=81 次乘法。

另一方面,对于空间可分卷积,我们首先在 5×5 的图像上应用一个 3×1 的过滤器。我们可以在水平 5 个位置和垂直 3 个位置扫描这样的核。总共就是 5×3=15 个位置,表示为下图中的点。在每个位置,会应用 3 次逐元素乘法。总共就是 15×3=45 次乘法。现在我们得到了一个 3×5 的矩阵。这个矩阵再与一个 1×3 核卷积,即在水平 3 个位置和垂直 3 个位置扫描这个矩阵。对于这 9 个位置中的每一个,应用 3 次逐元素乘法。这一步需要 9×3=27 次乘法。因此,总体而言,空间可分卷积需要 45+27=72 次乘法,少于普通卷积。

深度可分卷积

现在来看深度可分卷积,这在深度学习领域要常用得多(比如 MobileNet 和 Xception)。深度可分卷积包含两个步骤:深度卷积核 1×1 卷积。

在描述这些步骤之前,有必要回顾一下我们之前介绍的 2D 卷积核 1×1 卷积。首先快速回顾标准的 2D 卷积。举一个具体例子,假设输入层的大小是 7×7×3(高×宽×通道),而过滤器的大小是 3×3×3。经过与一个过滤器的 2D 卷积之后,输出层的大小是 5×5×1(仅有一个通道)。

一般来说,两个神经网络层之间会应用多个过滤器。假设我们这里有 128 个过滤器。在应用了这 128 个 2D 卷积之后,我们有 128 个 5×5×1 的输出映射图(map)。然后我们将这些映射图堆叠成大小为 5×5×128 的单层。通过这种操作,我们可将输入层(7×7×3)转换成输出层(5×5×128)。空间维度(即高度和宽度)会变小,而深度会增大。

首先,我们将深度卷积应用于输入层。但我们不使用 2D 卷积中大小为 3×3×3 的单个过滤器,而是分开使用 3 个核。每个过滤器的大小为 3×3×1。每个核与输入层的一个通道卷积(仅一个通道,而非所有通道!)。每个这样的卷积都能提供大小为 5×5×1 的映射图。然后我们将这些映射图堆叠在一起,创建一个 5×5×3 的图像。经过这个操作之后,我们得到大小为 5×5×3 的输出。现在我们可以降低空间维度了,但深度还是和之前一样。

深度可分卷积——第一步:我们不使用 2D 卷积中大小为 3×3×3 的单个过滤器,而是分开使用 3 个核。每个过滤器的大小为 3×3×1。每个核与输入层的一个通道卷积(仅一个通道,而非所有通道!)。每个这样的卷积都能提供大小为 5×5×1 的映射图。然后我们将这些映射图堆叠在一起,创建一个 5×5×3 的图像。经过这个操作之后,我们得到大小为 5×5×3 的输出。

在深度可分卷积的第二步,为了扩展深度,我们应用一个核大小为 1×1×3 的 1×1 卷积。将 5×5×3 的输入图像与每个 1×1×3 的核卷积,可得到大小为 5×5×1 的映射图。

因此,在应用了 128 个 1×1 卷积之后,我们得到大小为 5×5×128 的层。

通过这两个步骤,深度可分卷积也会将输入层(7×7×3)变换到输出层(5×5×128)。

所以,深度可分卷积有何优势呢?效率!相比于 2D 卷积,深度可分卷积所需的操作要少得多。

回忆一下我们的 2D 卷积例子的计算成本。有 128 个 3×3×3 个核移动了 5×5 次,也就是 128 x 3 x 3 x 3 x 5 x 5 = 86400 次乘法。

可分卷积又如何呢?在第一个深度卷积步骤,有 3 个 3×3×1 核移动 5×5 次,也就是 3x3x3x1x5x5 = 675 次乘法。在 1×1 卷积的第二步,有 128 个 1×1×3 核移动 5×5 次,即 128 x 1 x 1 x 3 x 5 x 5 = 9600 次乘法。因此,深度可分卷积共有 675 + 9600 = 10275 次乘法。这样的成本大概仅有 2D 卷积的 12%!

分组卷积

实现分组卷积的主要原因是让网络训练可在 2 个内存有限(每个 GPU 有 1.5 GB 内存)的 GPU 上进行。下面的 AlexNet 表明在大多数层中都有两个分开的卷积路径。这是在两个 GPU 上执行模型并行化(当然如果可以使用更多 GPU,还能执行多 GPU 并行化)。

这里我们介绍一下分组卷积的工作方式。首先,典型的 2D 卷积的步骤如下图所示。在这个例子中,通过应用 128 个大小为 3×3×3 的过滤器将输入层(7×7×3)变换到输出层(5×5×128)。推广而言,即通过应用 Dout 个大小为 h x w x Din 的核将输入层(Hin x Win x Din)变换到输出层(Hout x Wout x Dout)

在分组卷积中,过滤器会被分为不同的组。每一组都负责特定深度的典型 2D 卷积。

上图展示了具有两个过滤器分组的分组卷积。在每个过滤器分组中,每个过滤器的深度仅有名义上的 2D 卷积的一半。它们的深度是 Din/2。每个过滤器分组包含 Dout/2 个过滤器。第一个过滤器分组(红色)与输入层的前一半([:, :, 0:Din/2])卷积,而第二个过滤器分组(橙色)与输入层的后一半([:, :, Din/2:Din])卷积。因此,每个过滤器分组都会创建 Dout/2 个通道。整体而言,两个分组会创建 2×Dout/2 = Dout 个通道。然后我们将这些通道堆叠在一起,得到有 Dout 个通道的输出层。

分组卷积与深度可分卷积

你可能会注意到分组卷积与深度可分卷积中使用的深度卷积之间存在一些联系和差异。如果过滤器分组的数量与输入层通道的数量相同,则每个过滤器的深度都为 Din/Din=1。这样的过滤器深度就与深度卷积中的一样了。

另一方面,现在每个过滤器分组都包含 Dout/Din 个过滤器。整体而言,输出层的深度为 Dout。这不同于深度卷积的情况——深度卷积并不会改变层的深度。在深度可分卷积中,层的深度之后通过 1×1 卷积进行扩展。

分组卷积有几个优点。

第一个优点是高效训练。因为卷积被分成了多个路径,每个路径都可由不同的 GPU 分开处理,所以模型可以并行方式在多个 GPU 上进行训练。相比于在单个 GPU 上完成所有任务,这样的在多个 GPU 上的模型并行化能让网络在每个步骤处理更多图像。人们一般认为模型并行化比数据并行化更好。后者是将数据集分成多个批次,然后分开训练每一批。但是,当批量大小变得过小时,我们本质上是执行随机梯度下降,而非批梯度下降。这会造成更慢,有时候更差的收敛结果。

第二个优点是模型会更高效,即模型参数会随过滤器分组数的增大而减少。在之前的例子中,完整的标准 2D 卷积有 h x w x Din x Dout 个参数。具有 2 个过滤器分组的分组卷积有 (h x w x Din/2 x Dout/2) x 2 个参数。参数数量减少了一半。

第三个优点有些让人惊讶。分组卷积也许能提供比标准完整 2D 卷积更好的模型。

再思考计算机视觉的Inception结构 Rethinking the inception architecture for computer vision (2016) 作者C. Szegedy et al. 摘要:对于多种任务来说,卷及网络处于最先进的计算机视觉解决方案的核心。自2014年以来,超深度卷积网络开始成为主流,在各种benchmark中产生了巨大的收获。虽然对大多数任务来说,增加的模型大小和计算成本往往转化为直接增益(只要提供足够的标记数据用于训练),计算效率和低参数计数仍然是各种用例的有利因素,例如移动视觉和大数据场景。在这里,我们将探讨通过适当的因式分解卷积和积极正则化的方式,尽可能有效地利用增加的算力来扩大网络规模。我们在ILSVRC 2012分类挑战验证集上的benchmark了我们的方法,展示了相对于现有技术的实质性增益:每次推理使用50亿multiply-adds的计算成本及使用少于2500万个参数,每单帧错位率为21.2%top-1和5.6%top-5。综合使用4种模型和multi-crop 评估的综合,我们在验证集上报告3.5%的top-5错误和17.3%的top-1错误,以及正式测试集上3.6%的top-5 错误。 Inception-v4, inception-resnet以及残差连接对学习的影响 Inception-v4, inception-resnet and the impact of residual connections on learning (2016) 作者C. Szegedy et al. 在深度残差网络中识别映射 Identity Mappings in Deep Residual Networks (2016) 作者K. He et al. 图像识别中的深度残差学习 Deep residual learning for image recognition (2016) 作者K. He et al. 深入卷积网络 Going deeper with convolutions (2015) 作者C. Szegedy et al. 大规模图像识别的超深度卷积网络 Very deep convolutional networks for large-scale image recognition (2014) 作者K. Simonyan and A. Zisserman 用于视觉识别的深度卷积网络的空间金字塔池化 Spatial pyramid pooling in deep convolutional networks for visual recognition (2014) 作者K. He et al. 细节魔鬼的回归:深挖卷积网络 Return of the devil in the details: delving deep into convolutional nets (2014) 作者K. Chatfield et al. OverFeat:使用卷积网络融合识别、本地化和检测 OverFeat: Integrated recognition, localization and detection using convolutional networks (2013) 作者P. Sermanet et al. Maxout网络 Maxout networks (2013) 作者I. Goodfellow et al. 深度网络架构 Network in network (2013) 作者M. Lin et al. 使用深度卷积神经网络进行ImageNet 分类 ImageNet classification with deep convolutional neural networks (2012) 作者A. Krizhevsky et al.
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