残差网络概念

残差网络(ResNet)通过引入恒等映射和残差映射解决了深度神经网络的优化问题,特别在ImageNet竞赛中获胜。它易于训练,可增加深度提升性能,广泛应用于图像识别、物体检测等领域,将持续推动计算机视觉和深度学习发展。

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残差网络(ResNet)是由来自Microsoft Research的学者提出的卷积神经网络,其在2015年的ImageNet大规模视觉识别竞赛中获得了图像分类和物体识别的优胜。残差网络的特点在于其容易优化,并且能够通过增加深度来提高准确率。

残差网络的核心思想在于引入了残差块(Residual Block)的概念。每个残差块由恒等映射(Identity Mapping)和残差映射(Residual Mapping)两部分组成。恒等映射将输入直接传递到输出,而残差映射则对输入进行非线性变换,并与恒等映射相加,形成残差。这种设计使得模型可以学习到残差,即剩余的映射,而不仅仅是对输入的变换。通过引入残差连接,即使网络非常深,梯度也可以通过残差连接直接传递到较浅层,从而避免了梯度消失的问题。

残差网络的主要优点是易于训练和优化,并且可以通过增加网络深度来提高性能。然而,它也存在一些缺点,例如缺乏所有先前卷积输出到连续特征图的密集拼接,这可能导致信息利用不够充分。

残差网络在图像识别、物体检测、自然语言处理等多个领域都有广泛的应用。通过不断优化和改进,残差网络将继续在计算机视觉和深度学习领域发挥重要作用。

### 残差网络的基本概念 残差网络(Residual Network,简称 ResNet)是一种深度卷积神经网络架构,在 2015 年由微软研究院的 Kaiming He 等人提出[^3]。它的设计旨在解决深度学习领域中的一个重要挑战——当网络层数不断增加时,模型性能可能会因梯度消失或梯度爆炸而下降[^2]。 #### ResNet 的核心思想 ResNet 的核心在于引入了 **残差连接**(residual connections),这是一种特殊的跳跃连接结构。通过这种方式,输入可以直接传递到后续的层中,从而缓解了深层网络训练过程中的优化困难问题。具体来说,传统的前馈神经网络试图直接拟合目标函数 \( H(x) \),而 ResNet 则尝试拟合一个残差函数 \( F(x)=H(x)-x \)[^4]。这样做的好处是可以让网络更容易学到恒等映射(identity mapping),即当最佳解为零时,只需调整少量参数即可实现。 #### 残差块的设计 ResNet 中的核心组件是 **残差块**(residual block)。根据网络规模的不同,残差块分为两种主要形式: 1. **基本残差块(Basic Residual Block)** 这种结构适用于较浅的网络版本,例如 ResNet-18 和 ResNet-34。其典型特征是一个简单的两层卷积操作序列,通常包括两个 3×3 卷积核以及批量归一化(Batch Normalization)和激活函数(ReLU)[^1]。 2. **瓶颈残差块(Bottleneck Residual Block)** 对于更深的网络变体(如 ResNet-50、ResNet-101 和 ResNet-152),采用的是更复杂的瓶颈结构。这种设计利用 1×1 卷积来降低维度并压缩通道数,随后再恢复原始尺寸,以此减少计算开销并提高效率。 以下是这两种残差块的一个简单代码示例: ```python import torch.nn as nn class BasicBlock(nn.Module): expansion = 1 def __init__(self, in_channels, out_channels, stride=1, downsample=None): super(BasicBlock, self).__init__() self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, bias=False) self.bn1 = nn.BatchNorm2d(out_channels) self.relu = nn.ReLU(inplace=True) self.conv2 = nn.Conv2d(out_channels, out_channels * self.expansion, kernel_size=3, padding=1, bias=False) self.bn2 = nn.BatchNorm2d(out_channels * self.expansion) self.downsample = downsample def forward(self, x): identity = x if self.downsample is not None: identity = self.downsample(x) out = self.conv1(x) out = self.bn1(out) out = self.relu(out) out = self.conv2(out) out = self.bn2(out) out += identity out = self.relu(out) return out class BottleneckBlock(nn.Module): expansion = 4 def __init__(self, in_channels, out_channels, stride=1, downsample=None): super(BottleneckBlock, self).__init__() self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=1, bias=False) self.bn1 = nn.BatchNorm2d(out_channels) self.conv2 = nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, bias=False) self.bn2 = nn.BatchNorm2d(out_channels) self.conv3 = nn.Conv2d(out_channels, out_channels * self.expansion, kernel_size=1, bias=False) self.bn3 = nn.BatchNorm2d(out_channels * self.expansion) self.relu = nn.ReLU(inplace=True) self.downsample = downsample def forward(self, x): identity = x if self.downsample is not None: identity = self.downsample(x) out = self.conv1(x) out = self.bn1(out) out = self.relu(out) out = self.conv2(out) out = self.bn2(out) out = self.relu(out) out = self.conv3(out) out = self.bn3(out) out += identity out = self.relu(out) return out ``` #### ResNet 的优势 相比传统 CNN 架构,ResNet 提供了几项显著的优势: - 它能够有效应对非常深的网络带来的退化问题(degradation problem),使得构建上千层的网络成为可能; - 训练更加稳定,收敛速度更快; - 性能优越,在多个图像识别任务上取得了突破性的成果。 ---
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