（Deep learning）深度卷积网络实战——第二部分
2.4 残差网络为什么有用？（Why ResNets work?）
为什么ResNets能有如此好的表现，我们来看个例子，它解释了其中的原因，至少可以说明，如何构建更深层次的ResNets网络的同时还不降低它们在训练集上的效率。希望你已经通过第三门课了解到，通常来讲，网络在训练集上表现好，才能在Hold-Out交叉验证集或dev集和测试集上有好的表现，所以至少在训练集上训练好ResNets是第一步。
先来看个例子，上节课我们了解到，一个网络深度越深，它在训练集上训练的效率就会有所减弱，这也是有时候我们不希望加深网络的原因。而事实并非如此，至少在训练ResNets网络时，并非完全如此，举个例子。
结果表明，残差块学习这个恒等式函数并不难，跳跃连接使我们很容易得出。这意味着，即使给神经网络增加了这两层，它的效率也并不逊色于更简单的神经网络，因为学习恒等函数对它来说很简单。尽管它多了两层，也只把
的值赋值给
。所以给大型神经网络增加两层，不论是把残差块添加到神经网络的中间还是末端位置，都不会影响网络的表现。
当然，我们的目标不仅仅是保持网络的效率，还要提升它的效率。想象一下，如果这些隐藏层单元学到一些有用信息，那么它可能比学习恒等函数表现得更好。而这些不含有残差块或跳跃连接的深度普通网络情况就不一样了，当网络不断加深时，就算是选用学习恒等函数的参数都很困难，所以很多层最后的表现不但没有更好，反而更糟。
我认为残差网络起作用的主要原因就是这些残差块学习恒等函数非常容易，你能确定网络性能不会受到影响，很多时候甚至可以提高效率，或者说至少不会降低网络的效率，因此创建类似残差网络可以提升网络性能。
除此之外，关于残差网络，另一个值得探讨的细节是，假设与
具有相同维度，所以ResNets使用了许多same卷积，所以这个
的维度等于这个输出层的维度。之所以能实现跳跃连接是因为same卷积保留了维度，所以很容易得出这个捷径连接，并输出这两个相同维度的向量。
最后，我们来看看ResNets的图片识别。这些图片是我从何凯明等人论文中截取的，这是一个普通网络，我们给它输入一张图片，它有多个卷积层，最后输出了一个Softmax。
如何把它转化为ResNets呢？只需要添加跳跃连接。这里我们只讨论几个细节，这个网络有很多层3×3卷积，而且它们大多都是same卷积，这就是添加等维特征向量的原因。所以这些都是卷积层，而不是全连接层，因为它们是same卷积，维度得以保留，这也解释了添加项（维度相同所以能够相加）。
ResNets类似于其它很多网络，也会有很多卷积层，其中偶尔会有池化层或类池化层的层。不论这些层是什么类型，正如我们在上一张幻灯片看到的，你都需要调整矩阵的维度。普通网络和ResNets网络常用的结构是：卷积层-卷积层-卷积层-池化层-卷积层-卷积层-卷积层-池化层……依此重复。直到最后，有一个通过softmax进行预测的全连接层。
以上就是ResNets的内容。使用1×1的过滤器，即1×1卷积，这个想法很有意思，为什么呢？我们下节课再讲。
2.5 网络中的网络以及 1×1 卷积（Network in Network and 1×1 convolutions）
在架构内容设计方面，其中一个比较有帮助的想法是使用1×1卷积。也许你会好奇，1×1的卷积能做什么呢？不就是乘以数字么？听上去挺好笑的，结果并非如此，我们来具体看看。
过滤器为1×1，这里是数字2，输入一张6×6×1的图片，然后对它做卷积，起过滤器大小为1×1×1，结果相当于把这个图片乘以数字2，所以前三个单元格分别是2、4、6等等。用1×1的过滤器进行卷积，似乎用处不大，只是对输入矩阵乘以某个数字。但这仅仅是对于6×6×1的一个通道图片来说，1×1卷积效果不佳。
如果是一张6×6×32的图片，那么使用1×1过滤器进行卷积效果更好。具体来说，1×1卷积所实现的功能是遍历这36个单元格，计算左图中32个数字和过滤器中32个数字的元素积之和，然后应用ReLU非线性函数。
我们以其中一个单元为例，它是这个输入层上的某个切片，用这36个数字乘以这个输入层上1×1切片，得到一个实数，像这样把它画在输出中。
这个1×1×32过滤器中的32个数字可以这样理解，一个神经元的输入是32个数字（输入图片中左下角位置32个通道中的数字），即相同高度和宽度上某一切片上的32个数字，这32个数字具有不同通道，乘以32个权重（将过滤器中的32个数理解为权重），然后应用ReLU非线性函数，在这里输出相应的结果。
一般来说，如果过滤器不止一个，而是多个，就好像有多个输入单元，其输入内容为一个切片上所有数字，输出结果是6×6过滤器数量。
所以1×1卷积可以从根本上理解为对这32个不同的位置都应用一个全连接层，全连接层的作用是输入32个数字（过滤器数量标记为，在这36个单元上重复此过程）,输出结果是6×6×#filters（过滤器数量），以便在输入层上实施一个非平凡（non-trivial）计算。
这种方法通常称为1×1卷积，有时也被称为Network in Network，在林敏、陈强和杨学成的论文中有详细描述。虽然论文中关于架构的详细内容并没有得到广泛应用，但是1×1卷积或Network in Network这种理念却很有影响力，很多神经网络架构都受到它的影响，包括下节课要讲的Inception网络。
举个1×1卷积的例子，相信对大家有所帮助，这是它的一个应用。
假设这是一个28×28×192的输入层，你可以使用池化层压缩它的高度和宽度，这个过程我们很清楚。但如果通道数量很大，该如何把它压缩为28×28×32维度的层呢？你可以用32个大小为1×1的过滤器，严格来讲每个过滤器大小都是1×1×192维，因为过滤器中通道数量必须与输入层中通道的数量保持一致。但是你使用了32个过滤器，输出层为28×28×32，这就是压缩通道数（）的方法，对于池化层我只是压缩了这些层的高度和宽度。
在之后我们看到在某些网络中1×1卷积是如何压缩通道数量并减少计算的。当然如果你想保持通道数192不变，这也是可行的，1×1卷积只是添加了非线性函数，当然也可以让网络学习更复杂的函数，比如，我们再添加一层，其输入为28×28×192，输出为28×28×192。
1×1卷积层就是这样实现了一些重要功能的（doing something pretty non-trivial），它给神经网络添加了一个非线性函数，从而减少或保持输入层中的通道数量不变，当然如果你愿意，也可以增加通道数量。后面你会发现这对构建Inception网络很有帮助，我们放在下节课讲。
这节课我们演示了如何根据自己的意愿通过1×1卷积的简单操作来压缩或保持输入层中的通道数量，甚至是增加通道数量。下节课，我们再讲讲1×1卷积是如何帮助我们构建Inception网络的，下节课见。
2.6 谷歌 Inception 网络简介（Inception network motivation）
构建卷积层时，你要决定过滤器的大小究竟是1×1（原来是1×3，猜测为口误），3×3还是5×5，或者要不要添加池化层。而Inception网络的作用就是代替你来决定，虽然网络架构因此变得更加复杂，但网络表现却非常好，我们来了解一下其中的原理。
例如，这是你28×28×192维度的输入层，Inception网络或Inception层的作用就是代替人工来确定卷积层中的过滤器类型，或者确定是否需要创建卷积层或池化层，我们演示一下。
如果使用1×1卷积，输出结果会是28×28×#（某个值），假设输出为28×28×64，并且这里只有一个层。
如果使用3×3的过滤器，那么输出是28×28×128。然后我们把第二个值堆积到第一个值上，为了匹配维度，我们应用same卷积，输出维度依然是28×28，和输入维度相同，即高度和宽度相同。
或许你会说，我希望提升网络的表现，用5×5过滤器或许会更好，我们不妨试一下，输出变成28×28×32，我们再次使用same卷积，保持维度不变。
或许你不想要卷积层，那就用池化操作，得到一些不同的输出结果，我们把它也堆积起来，这里的池化输出是28×28×32。为了匹配所有维度，我们需要对最大池化使用padding，它是一种特殊的池化形式，因为如果输入的高度和宽度为28×28，则输出的相应维度也是28×28。然后再进行池化，padding不变，步幅为1。
这个操作非常有意思，但我们要继续学习后面的内容，一会再实现这个池化过程。
有了这样的Inception模块，你就可以输入某个量，因为它累加了所有数字，这里的最终输出为32+32+128+64=256。Inception模块的输入为28×28×192，输出为28×28×256。这就是Inception网络的核心内容，提出者包括Christian Szegedy、刘伟、贾阳青、Pierre Sermanet、Scott Reed、Dragomir Anguelov、Dumitru Erhan、Vincent Vanhoucke和Andrew Rabinovich。基本思想是Inception网络不需要人为决定使用哪个过滤器或者是否需要池化，而是由网络自行确定这些参数，你可以给网络添加这些参数的所有可能值，然后把这些输出连接起来，让网络自己学习它需要什么样的参数，采用哪些过滤器组合。
不难发现，我所描述的Inception层有一个问题，就是计算成本，下一张幻灯片，我们就来计算这个5×5过滤器在该模块中的计算成本。
我们把重点集中在前一张幻灯片中的5×5的过滤器，这是一个28×28×192的输入块，执行一个5×5卷积，它有32个过滤器，输出为28×28×32。前一张幻灯片中，我用一个紫色的细长块表示，这里我用一个看起来更普通的蓝色块表示。我们来计算这个28×28×32输出的计算成本，它有32个过滤器，因为输出有32个通道，每个过滤器大小为5×5×192，输出大小为28×28×32，所以你要计算28×28×32个数字。对于输出中的每个数字来说，你都需要执行5×5×192次乘法运算，所以乘法运算的总次数为每个输出值所需要执行的乘法运算次数（5×5×192）乘以输出值个数（28×28×32），把这些数相乘结果等于1.2亿(120422400)。即使在现在，用计算机执行1.2亿次乘法运算，成本也是相当高的。下一张幻灯片会介绍1×1卷积的应用，也就是我们上节课所学的。为了降低计算成本，我们用计算成本除以因子10，结果它从1.2亿减小到原来的十分之一。请记住120这个数字，一会还要和下一页看到的数字做对比。
这里还有另外一种架构，其输入为28×28×192，输出为28×28×32。其结果是这样的，对于输入层，使用1×1卷积把输入值从192个通道减少到16个通道。然后对这个较小层运行5×5卷积，得到最终输出。请注意，输入和输出的维度依然相同，输入是28×28×192，输出是28×28×32，和上一页的相同。但我们要做的就是把左边这个大的输入层压缩成这个较小的的中间层，它只有16个通道，而不是192个。
有时候这被称为瓶颈层，瓶颈通常是某个对象最小的部分，假如你有这样一个玻璃瓶，这是瓶塞位置，瓶颈就是这个瓶子最小的部分。
同理，瓶颈层也是网络中最小的部分，我们先缩小网络表示，然后再扩大它。
接下来我们看看这个计算成本，应用1×1卷积，过滤器个数为16，每个过滤器大小为1×1×192，这两个维度相匹配（输入通道数与过滤器通道数），28×28×16这个层的计算成本是，输出28×28×192中每个元素都做192次乘法，用1×1×192来表示，相乘结果约等于240万。
那第二个卷积层呢？240万只是第一个卷积层的计算成本，第二个卷积层的计算成本又是多少呢？这是它的输出，28×28×32，对每个输出值应用一个5×5×16维度的过滤器，计算结果为1000万。
所以所需要乘法运算的总次数是这两层的计算成本之和，也就是1204万，与上一张幻灯片中的值做比较，计算成本从1.2亿下降到了原来的十分之一，即1204万。所需要的加法运算与乘法运算的次数近似相等，所以我只统计了乘法运算的次数。
总结一下，如果你在构建神经网络层的时候，不想决定池化层是使用1×1，3×3还是5×5的过滤器，那么Inception模块就是最好的选择。我们可以应用各种类型的过滤器，只需要把输出连接起来。之后我们讲到计算成本问题，我们学习了如何通过使用1×1卷积来构建瓶颈层，从而大大降低计算成本。
你可能会问，仅仅大幅缩小表示层规模会不会影响神经网络的性能？事实证明，只要合理构建瓶颈层，你既可以显著缩小表示层规模，又不会降低网络性能，从而节省了计算。
这就是Inception模块的主要思想，我们在这总结一下。下节课，我们将演示一个完整的Inception网络。