卷积神经网络的网络结构——ResNet V2

《Identity Mappings in Deep Residual Networks》

• 2016，kaiming He et al，ResNet V2。

深度残差网络作为一种极深的网络框架，在精度和收敛等方面都展现出了很好的特性。作者通过对残差块(residual building blocks)背后的计算传播方式进行分析，表明了当跳跃连接(skip connections)以及附加激活项都使用恒等映射(identity mappings)时，前向和后向的信号能够直接的从一个block 传递到其他任意一个block。一系列的“消融”实验(ablation experiments)也验证了这些恒等映射的重要性。这促使我们提出了一个新的残差单元，它使得训练变得更简单，同时也提高了网络的泛化能力。
深度残差网络(ResNets)由很多个“残差单元”组成。每一个单元都可以表示为：


如图所示，(a) 原始残差单元；(b) 本文提出的残差单元；右：1001层ResNets 在CIFAR-10上的训练曲线。实线对应测试误差(右侧的y轴)，虚线对应训练损失(左侧的y轴)。本文提出的单元使得ResNet-1001的训练更简单。
**1.分析：**如果addition操作之后是恒等映射，则Residual network的数学表达变成：

反向传播公式：

公式表现为两个项之和，第一项直接通道，可以把深层的梯度传递到任意浅层，可以看出浅层的梯度很难为0，第二项为卷积通道，对于一个mini-batch总的全部样本不可能都为-1。这意味着，哪怕权重是任意小的，也不可能出现梯度消失的情况。
2.恒等跨越连接的重要性：
作者把原来的identity mapping改成线性映射，并分析其影响（h(x)=kx )
前向和反向公式为：

此网络的后向传播过程受λ控制，若λ>1，则第一项会非常大，因而会导致梯度爆炸；若λ<1，则第一项会非常小，甚至消失。反向传播的信号只能从第二项传递，但是其优化难度更大。综上，这个结构妨碍了信息的传播，恒等映射更好。
3.Experiment on Skip connection：
在shortcut上添加各种结构，进行对比试验，试验结果证明了恒等映射最好。

分类错误率，当错误率高于20%，记为“fail”。

事实上， shortcut-only gating和1x1包含原来的identity shortcut， 其表达能力应该更强，但是造成其结果degradation的原因是优化问题，而非representational abilities。
4.On the Usage of Activation Functions
之前的网络结构都是假设f是恒等映射，这一部分研究relu激活函数的影响，并提出了一个“pre-activation”结构，能进一步提高了网络的性能。
对比实验：

Post-activation or pre-activation?
原始的residual unit的设计中，activation xl+1=f(yl)对于两个分支都有影响，我们设计了一个非对称的结构，只对F分支，也就是：

这就等于pre-activation形式了：

这里设置了fig4中的两种方案，d的提高不明显，可以看出BN和ReLU更配，他俩适合在一起，table3更说明了这个问题。
这种结构有双重效果：
1.缓解了优化难度。此结构中合并之后是恒等过渡，使得梯度的传播更加顺畅。其次减少了信息的流失，使得下一个block保存更多的信息。
2.减少过拟合。新结构多加了一个BN层，使得信息更加规范化。

ResNet V2和ResNet V1的主要区别在于，作者通过研究ResNet残差学习单元的传播公式，发现前馈和反馈信号可以直接传输，因此skip connection 的非线性激活函数（如ReLU）替换为Identity Mapping（y=x），使用内部的“pre-activation”结构。同时，ResNet V2在每一层中都使用了Batch Normalization。这样处理之后，新的残差学习单元将比以前更容易训练且泛化性更强。

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注：博众家之所长，集群英之荟萃。