1. 网络介绍
GoogLeNet在2014由Google团队提出，获得ImageNet中Classification任务的第一名，它比AlexNet参数少12倍的同时但更准确，网络中主要有一下几个亮点：
- 引入Inception结构
- 使用 1*1 的卷积核进行降维和映射处理
- 添加两个辅助分类器帮助训练
- 丢弃全连接层，使用平均池化层，大大减少了模型参数，低内存高效率使得其可以在移动设备上使用。
2. Inception结构
上图展示的是论文中的原图，左边为最原始的Inception结构，右边为改进后的结构。从图片来看Inception模块就用不同尺寸的卷积核同时对输入进行卷积操作，外加一个池化操作，最后把各自的结果汇聚在一起作为总输出（按照channel堆叠，每层输出具有相同的长宽尺寸）。与传统 CNN 的串联结构不同，inception模块使用了并行结构并且引入了不同尺寸的卷积核。其好处在于：
- 在多个尺度上同时进行卷积，能提取到不同尺度的特征，最后拼接意味着不同尺度特征的融合。
- 实现将稀疏矩阵聚类为较为密集的子矩阵来提高计算性能
这里需要一提的是，在算法和模型角度提升网络性能的方法有增加网络的深度和宽度，比如VGG就是通过大量使用 3 * 3卷积核来增加网络深度，但是一味地增加会导致需要学习的参数增加，这也会带来两个问题：
- 巨大的参数容易发生过拟合
- 计算量大大增加
解决上述问题的方法是引入稀疏特性和将全连接层转换成稀疏连接（理论研究论文），但是，计算机软硬件对非均匀稀疏数据的计算效率很差，大量的文献表明可以将稀疏矩阵聚类为较为密集的子矩阵来提高计算性能，于是就有了初版的Inception结构。
但是在初版的Inception结构中使用5×5的卷积核仍然会带来巨大的计算量，作者借鉴NIN，采用1×1卷积核来进行降维，得到了优化后的Inception结构，改进后的Inception结构输出的维度不变，但是参数了减少了大约4倍。
3. 网络结构
GoogLeNet其实就是多个Inception结构的堆叠，由于Inception结构参数减少，使得GoogLeNet达到了22层的深度，但其参数还比AlexNet少了12倍左右，GoogLeNet网络的结构特点如下：
- 采用了模块化的结构，可以方便地增删和修改Inception结构；
- 网络最后采用了average pooling来代替全连接层，想法来自NIN,事实证明可以将TOP1 accuracy提高0.6%。但是，实际在最后还是加了一个全连接层，主要是为了方便以后大家finetune；
- 虽然移除了全连接，但是网络中依然使用了Dropout ;
- 为了避免梯度消失，网络额外增加了2个辅助的softmax用于向前传导梯度（辅助分类器）。辅助分类器是将中间某一层的输出用作分类，并按一个较小的权重（0.3）加到最终分类结果中，这样相当于做了模型融合，同时给网络增加了反向传播的梯度信号，也提供了额外的正则化，对于整个网络的训练很有裨益。此外，实际测试的时候，这两个额外的softmax会被去掉。
GooLeNet的网络结构可以见：GoogLeNet网络结构
4. 代码实现
import torch
import torch.nn.functional as F
class GoogLeNet(nn.Module):
def __init__(self, num_classes=1000, aux_logits=True, init_weights=False):
super(GoogLeNet, self).__init__()
self.aux_logits = aux_logits
self.conv1 = BasicConv2d(3, 64, kernel_size=7, stride=2, padding=3)
self.maxpool1 = nn.MaxPool2d(3, stride=2, ceil_mode=True)
self.conv2 = BasicConv2d(64, 64, kernel_size=1)
self.conv3 = BasicConv2d(64, 192, kernel_size=3, padding=1)
self.maxpool2 = nn.MaxPool2d(3, stride=2, ceil_mode=True)
self.inception3a = Inception(192, 64, 96, 128, 16, 32, 32)
self.inception3b = Inception(256, 128, 128, 192, 32, 96, 64)
self.maxpool3 = nn.MaxPool2d(3, stride=2, ceil_mode=True)
self.inception4a = Inception(480, 192, 96, 208, 16, 48, 64)
self.inception4b = Inception(512, 160, 112, 224, 24, 64, 64)
self.inception4c = Inception(512, 128, 128, 256, 24, 64, 64)
self.inception4d = Inception(512, 112, 144, 288, 32, 64, 64)
self.inception4e = Inception(528, 256, 160, 320, 32, 128, 128)
self.maxpool4 = nn.MaxPool2d(3, stride=2, ceil_mode=True)
self.inception5a = Inception(832, 256, 160, 320, 32, 128, 128)
self.inception5b = Inception(832, 384, 192, 384, 48, 128, 128)
if self.aux_logits:
self.aux1 = InceptionAux(512, num_classes)
self.aux2 = InceptionAux(528, num_classes)
self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1))
self.dropout = nn.Dropout(0.4)
self.fc = nn.Linear(1024, num_classes)
if init_weights:
self._initialize_weights()
def forward(self, x):
# N x 3 x 224 x 224
x = self.conv1(x)
# N x 64 x 112 x 112
x = self.maxpool1(x)
# N x 64 x 56 x 56
x = self.conv2(x)
# N x 64 x 56 x 56
x = self.conv3(x)
# N x 192 x 56 x 56
x = self.maxpool2(x)
# N x 192 x 28 x 28
x = self.inception3a(x)
# N x 256 x 28 x 28
x = self.inception3b(x)
# N x 480 x 28 x 28
x = self.maxpool3(x)
# N x 480 x 14 x 14
x = self.inception4a(x)
# N x 512 x 14 x 14
if self.training and self.aux_logits: # eval model lose this layer
aux1 = self.aux1(x)
x = self.inception4b(x)
# N x 512 x 14 x 14
x = self.inception4c(x)
# N x 512 x 14 x 14
x = self.inception4d(x)
# N x 528 x 14 x 14
if self.training and self.aux_logits: # eval model lose this layer
aux2 = self.aux2(x)
x = self.inception4e(x)
# N x 832 x 14 x 14
x = self.maxpool4(x)
# N x 832 x 7 x 7
x = self.inception5a(x)
# N x 832 x 7 x 7
x = self.inception5b(x)
# N x 1024 x 7 x 7
x = self.avgpool(x)
# N x 1024 x 1 x 1
x = torch.flatten(x, 1)
# N x 1024
x = self.dropout(x)
x = self.fc(x)
# N x 1000 (num_classes)
if self.training and self.aux_logits: # eval model lose this layer
return x, aux2, aux1
return x
def _initialize_weights(self):
for m in self.modules():
if isinstance(m, nn.Conv2d):
nn.init.kaiming_normal_(m.weight, mode='fan_out', nonlinearity='relu')
if m.bias is not None:
nn.init.constant_(m.bias, 0)
elif isinstance(m, nn.Linear):
nn.init.normal_(m.weight, 0, 0.01)
nn.init.constant_(m.bias, 0)
class Inception(nn.Module):
def __init__(self, in_channels, ch1x1, ch3x3red, ch3x3, ch5x5red, ch5x5, pool_proj):
super(Inception, self).__init__()
self.branch1 = BasicConv2d(in_channels, ch1x1, kernel_size=1)
self.branch2 = nn.Sequential(
BasicConv2d(in_channels, ch3x3red, kernel_size=1),
BasicConv2d(ch3x3red, ch3x3, kernel_size=3, padding=1) # 保证输出大小等于输入大小
)
self.branch3 = nn.Sequential(
BasicConv2d(in_channels, ch5x5red, kernel_size=1),
BasicConv2d(ch5x5red, ch5x5, kernel_size=5, padding=2) # 保证输出大小等于输入大小
)
self.branch4 = nn.Sequential(
nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=1, padding=1),
BasicConv2d(in_channels, pool_proj, kernel_size=1)
)
def forward(self, x):
branch1 = self.branch1(x)
branch2 = self.branch2(x)
branch3 = self.branch3(x)
branch4 = self.branch4(x)
outputs = [branch1, branch2, branch3, branch4]
return torch.cat(outputs, 1)
class InceptionAux(nn.Module):
def __init__(self, in_channels, num_classes):
super(InceptionAux, self).__init__()
self.averagePool = nn.AvgPool2d(kernel_size=5, stride=3)
self.conv = BasicConv2d(in_channels, 128, kernel_size=1) # output[batch, 128, 4, 4]
self.fc1 = nn.Linear(2048, 1024)
self.fc2 = nn.Linear(1024, num_classes)
def forward(self, x):
# aux1: N x 512 x 14 x 14, aux2: N x 528 x 14 x 14
x = self.averagePool(x)
# aux1: N x 512 x 4 x 4, aux2: N x 528 x 4 x 4
x = self.conv(x)
# N x 128 x 4 x 4
x = torch.flatten(x, 1)
x = F.dropout(x, 0.5, training=self.training)
# N x 2048
x = F.relu(self.fc1(x), inplace=True)
x = F.dropout(x, 0.5, training=self.training)
# N x 1024
x = self.fc2(x)
# N x num_classes
return x
class BasicConv2d(nn.Module):
def __init__(self, in_channels, out_channels, **kwargs):
super(BasicConv2d, self).__init__()
self.conv = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, **kwargs)
self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
def forward(self, x):
x = self.conv(x)
x = self.relu(x)
return x
