CNN-3: VGGNet 卷积神经网络模型

1、VGGNet 模型简介

VGG Net由牛津大学的视觉几何组（Visual Geometry Group）和 Google DeepMind公司的研究员一起研发的的深度卷积神经网络，在 ILSVRC 2014 上取得了第二名的成绩，将 Top-5错误率降到7.3%。它主要的贡献是展示出网络的深度（depth）是算法优良性能的关键部分。目前使用比较多的网络结构主要有ResNet（152-1000层），GooleNet（22层），VGGNet（19层），大多数模型都是基于这几个模型上改进，采用新的优化算法，多模型融合等。到目前为止，VGG Net 依然经常被用来提取图像特征。

2、VGGNet的特点 

1） 结构简洁
VGG由5层卷积层、3层全连接层、softmax输出层构成，层与层之间使用max-pooling（最大化池）分开，所有隐层的激活单元都采用ReLU函数。
2） 小卷积核和多卷积子层
VGG使用多个较小卷积核（3x3）的卷积层代替一个卷积核较大的卷积层，一方面可以减少参数，另一方面相当于进行了更多的非线性映射，可以增加网络的拟合/表达能力。 小卷积核是VGG的一个重要特点，虽然VGG是在模仿AlexNet的网络结构，但没有采用AlexNet中比较大的卷积核尺寸（如7x7），而是通过降低卷积核的大小（3x3），增加卷积子层数来达到同样的性能（VGG：从1到4卷积子层，AlexNet：1子层）。 VGG的作者认为两个3x3的卷积堆叠获得的感受野大小，相当一个5x5的卷积；而3个3x3卷积的堆叠获取到的感受野相当于一个7x7的卷积。这样可以增加非线性映射，也能很好地减少参数（例如7x7的参数为49个，而3个3x3的参数为27）。
3） 小池化核
相比AlexNet的3x3的池化核，VGG全部采用2x2的池化核。
4） 通道数多
VGG网络第一层的通道数为64，后面每层都进行了翻倍，最多到512个通道，通道数的增加，使得更多的信息可以被提取出来。
5） 层数更深、特征图更宽
由于卷积核专注于扩大通道数、池化专注于缩小宽和高，使得模型架构上更深更宽的同时，控制了计算量的增加规模。
6） 全连接转卷积（测试阶段）
这也是VGG的一个特点，在网络测试阶段将训练阶段的三个全连接替换为三个卷积，使得测试得到的全卷积网络因为没有全连接的限制，因而可以接收任意宽或高为的输入，这在测试阶段很重要。

3、VGGNet的网络结构

 分别使用了A、A-LRN、B、C、D、E这6种网络结构进行测试，这6种网络结构相似，都是由5层卷积层、3层全连接层组成，其中区别在于每个卷积层的子层数量不同，从A至E依次增加（子层数量从1到4），总的网络深度从11层到19层（添加的层以粗体显示），表格中的卷积层参数表示为“conv⟨感受野大小⟩-通道数⟩”，例如con3-128，表示使用3x3的卷积核，通道数为128。为了简洁起见，在表格中不显示ReLU激活功能。 其中，网络结构D就是著名的VGG16，网络结构E就是著名的VGG19。

以网络结构D（VGG16）为例，介绍其处理过程如下：

1）输入224x224x3的图片，经64个3x3的卷积核作两次卷积+ReLU，卷积后的尺寸变为224x224x64
2）作max pooling（最大化池化），池化单元尺寸为2x2（效果为图像尺寸减半），池化后的尺寸变为112x112x64
3）经128个3x3的卷积核作两次卷积+ReLU，尺寸变为112x112x128
4）作2x2的max pooling池化，尺寸变为56x56x128
5）经256个3x3的卷积核作三次卷积+ReLU，尺寸变为56x56x256
6）作2x2的max pooling池化，尺寸变为28x28x256
7）经512个3x3的卷积核作三次卷积+ReLU，尺寸变为28x28x512
8）作2x2的max pooling池化，尺寸变为14x14x512
9）经512个3x3的卷积核作三次卷积+ReLU，尺寸变为14x14x512
10）作2x2的max pooling池化，尺寸变为7x7x512
11）与两层1x1x4096，一层1x1x1000进行全连接+ReLU（共三层）
12）通过softmax输出1000个预测结果

 A、A-LRN、B、C、D、E这6种网络结构比较：

 A、A-LRN、B、C、D、E这6种网络结构的深度虽然从11层增加至19层，但参数量变化不大，这是由于基本上都是采用了小卷积核（3x3，只有9个参数），这6种结构的参数数量（百万级）并未发生太大变化，这是因为在网络中，参数主要集中在全连接层。

A、A-LRN、B、C、D、E这6种网络结构进行单尺度的评估，错误率结果如下：

 

从上表可以看出：

1）LRN层无性能增益（A-LRN） VGG作者通过网络A-LRN发现，AlexNet曾经用到的LRN层（local response normalization，局部响应归一化）并没有带来性能的提升，因此在其它组的网络中均没再出现LRN层。
2）随着深度增加，分类性能逐渐提高（A、B、C、D、E） 从11层的A到19层的E，网络深度增加对top1和top5的错误率下降很明显。
多个小卷积核比单个大卷积核性能好（B） VGG作者做了实验用B和自己一个不在实验组里的较浅网络比较，较浅网络用conv5x5来代替B的两个conv3x3，结果显示多个小卷积核比单个大卷积核效果要好。

总结：

1）通过增加深度能有效地提升性能；
2）最佳模型：VGG16，从头到尾只有3x3卷积与2x2池化，简洁优美；
3）卷积可代替全连接，可适应各种尺寸的图片。

4  VGGNet 模型TensorFlow实现

开发环境： Python - 3.0、TensorFlow - 1.4.0、无GPU

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on 2017
@author: 黄文坚、唐源
"""

from datetime import datetime
import math
import time
import tensorflow as tf

def conv_op(input_op, name, kh, kw, n_out, dh, dw, p):
    n_in = input_op.get_shape()[-1].value

    with tf.name_scope(name) as scope:
        #定义卷积层参数：前两个为尺寸 ？*？、第三个为当前层节点矩阵的深度 、第四个为卷积层的深度
        kernel = tf.get_variable(scope+"w",
                                 shape=[kh, kw, n_in, n_out],
                                 dtype=tf.float32, 
                                 initializer=tf.contrib.layers.xavier_initializer_conv2d())
        #tf.nn.conv2d 提供了一个方便的卷积层前向传播函数
        #参数1：当前层的节点矩阵，四维矩阵，第一维度对应一个输入batch，如第一张图片，第二张图片..
        #参数2：卷积层参数
        #参数3：不同维度上的步长（第一维、最后一维必须为1）
        #参数4：提供'SAME'和'VALLD'选择，'SAME'为添加全0填充，'VALLD'为不添加
        conv = tf.nn.conv2d(input_op, kernel, (1, dh, dw, 1), padding='SAME')
        #定义偏置项，及下一层节点矩阵的深度 （参数共享）
        bias_init_val = tf.constant(0.0, shape=[n_out], dtype=tf.float32)
        biases = tf.Variable(bias_init_val, trainable=True, name='b')
        #tf.nn.bias_add提供给每个conv节点加上偏置项
        z = tf.nn.bias_add(conv, biases)
        #将计算结果通过ReLU激活函数完成去线性化
        activation = tf.nn.relu(z, name=scope)
        p += [kernel, biases]
        return activation

def fc_op(input_op, name, n_out, p):
    n_in = input_op.get_shape()[-1].value

    with tf.name_scope(name) as scope:
        kernel = tf.get_variable(scope+"w",
                                 shape=[n_in, n_out],
                                 dtype=tf.float32, 
                                 initializer=tf.contrib.layers.xavier_initializer())
        biases = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[n_out], dtype=tf.float32), name='b')
        activation = tf.nn.relu_layer(input_op, kernel, biases, name=scope)
        p += [kernel, biases]
        return activation

def mpool_op(input_op, name, kh, kw, dh, dw):
    #tf.nn.max_pool 提供了一个方便的最大池化层的前向传播过程。
    #tf.nn.avg_pool 提供了一个方便的平均池化层的前向传播过程，两者参数一致。
    #参数1：四维矩阵，第一维度对应一个输入batch，如第一张图片，第二张图片..
    #参数2：ksize为过滤器参数，常为[1, 2, 2, 1]、[1, 3, 3, 1]
    #参数3：不同维度上的步长（第一维、最后一维必须为1）
    #参数4：提供'SAME'和'VALLD'选择，'SAME'为添加全0填充，'VALLD'为不添加
    return tf.nn.max_pool(input_op,
                          ksize=[1, kh, kw, 1],
                          strides=[1, dh, dw, 1],
                          padding='SAME',
                          name=name)

def inference_op(input_op, keep_prob):  
    p = []
    # assume input_op shape is 224x224x3
    
    # block 1 -- outputs 112x112x64
    conv1_1 = conv_op(input_op, name="conv1_1", kh=3, kw=3, n_out=64, dh=1, dw=1, p=p)
    conv1_2 = conv_op(conv1_1,  name="conv1_2", kh=3, kw=3, n_out=64, dh=1, dw=1, p=p)
    pool1 = mpool_op(conv1_2,   name="pool1",   kh=2, kw=2, dw=2, dh=2)

    # block 2 -- outputs 56x56x128
    conv2_1 = conv_op(pool1,    name="conv2_1", kh=3, kw=3, n_out=128, dh=1, dw=1, p=p)
    conv2_2 = conv_op(conv2_1,  name="conv2_2", kh=3, kw=3, n_out=128, dh=1, dw=1, p=p)
    pool2 = mpool_op(conv2_2,   name="pool2",   kh=2, kw=2, dh=2, dw=2)

    # # block 3 -- outputs 28x28x256
    conv3_1 = conv_op(pool2,    name="conv3_1", kh=3, kw=3, n_out=256, dh=1, dw=1, p=p)
    conv3_2 = conv_op(conv3_1,  name="conv3_2", kh=3, kw=3, n_out=256, dh=1, dw=1, p=p)
    conv3_3 = conv_op(conv3_2,  name="conv3_3", kh=3, kw=3, n_out=256, dh=1, dw=1, p=p)    
    pool3 = mpool_op(conv3_3,   name="pool3",   kh=2, kw=2, dh=2, dw=2)

    # block 4 -- outputs 14x14x512
    conv4_1 = conv_op(pool3,    name="conv4_1", kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=p)
    conv4_2 = conv_op(conv4_1,  name="conv4_2", kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=p)
    conv4_3 = conv_op(conv4_2,  name="conv4_3", kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=p)
    pool4 = mpool_op(conv4_3,   name="pool4",   kh=2, kw=2, dh=2, dw=2)

    # block 5 -- outputs 7x7x512
    conv5_1 = conv_op(pool4,    name="conv5_1", kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=p)
    conv5_2 = conv_op(conv5_1,  name="conv5_2", kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=p)
    conv5_3 = conv_op(conv5_2,  name="conv5_3", kh=3, kw=3, n_out=512, dh=1, dw=1, p=p)
    pool5 = mpool_op(conv5_3,   name="pool5",   kh=2, kw=2, dw=2, dh=2)

    # flatten
    #将第五段卷积网络的输出结果扁平化，转化为 7*7*512=25088的一维向量
    shp = pool5.get_shape()
    flattened_shape = shp[1].value * shp[2].value * shp[3].value
    resh1 = tf.reshape(pool5, [-1, flattened_shape], name="resh1")

    # fully connected
    #连接一个隐含节点为4096的全连接层，激活函数为ReLU,然后连接一个Dropout层
    fc6 = fc_op(resh1, name="fc6", n_out=4096, p=p)
    fc6_drop = tf.nn.dropout(fc6, keep_prob, name="fc6_drop")

    #连接一个隐含节点为4096的全连接层，激活函数为ReLU,然后连接一个Dropout层
    fc7 = fc_op(fc6_drop, name="fc7", n_out=4096, p=p)
    fc7_drop = tf.nn.dropout(fc7, keep_prob, name="fc7_drop")
    
    #连接一个隐含节点为4096的全连接层，激活函数为ReLU,然后连接一个Softmax进行处理得到分类输出概率
    fc8 = fc_op(fc7_drop, name="fc8", n_out=1000, p=p)
    softmax = tf.nn.softmax(fc8)
    predictions = tf.argmax(softmax, 1)
    return predictions, softmax, fc8, p

def time_tensorflow_run(session, target, feed, info_string):
    num_steps_burn_in = 10
    total_duration = 0.0
    total_duration_squared = 0.0
    for i in range(num_batches + num_steps_burn_in):
        start_time = time.time()
        _ = session.run(target, feed_dict=feed)
        duration = time.time() - start_time
        if i >= num_steps_burn_in:
            if not i % 10:
                print ('%s: step %d, duration = %.3f' %
                       (datetime.now(), i - num_steps_burn_in, duration))
            total_duration += duration
            total_duration_squared += duration * duration
    mn = total_duration / num_batches
    vr = total_duration_squared / num_batches - mn * mn
    sd = math.sqrt(vr)
    print ('%s: %s across %d steps, %.3f +/- %.3f sec / batch' %
           (datetime.now(), info_string, num_batches, mn, sd))

def run_benchmark():
    with tf.Graph().as_default():
        image_size = 224
        images = tf.Variable(tf.random_normal([batch_size,
                                               image_size,
                                               image_size, 3],
                                               dtype=tf.float32,
                                               stddev=1e-1))

        keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)
        predictions, softmax, fc8, p = inference_op(images, keep_prob)

        init = tf.global_variables_initializer()

        config = tf.ConfigProto()
        config.gpu_options.allocator_type = 'BFC'
        sess = tf.Session(config=config)
        sess.run(init)

        time_tensorflow_run(sess, predictions, {keep_prob:1.0}, "Forward")

        objective = tf.nn.l2_loss(fc8)
        grad = tf.gradients(objective, p)
        time_tensorflow_run(sess, grad, {keep_prob:0.5}, "Forward-backward")

if __name__ == "__main__":
    batch_size=32
    num_batches=100
    run_benchmark()

参考文献

[1] https://my.oschina.net/u/876354/blog/1634322

[2] Simonyan K , Zisserman A . Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition[J]. Computer Science, 2014.

[3] 黄文坚、唐源等. TensorFlow 实战 [M] , 北京：电子工业出版社，2017.