CVPR2017最佳论文 Densely Connected Convolutional Networks （DenseNets）阅读笔记

原文：Densely Connected Convolutional Networks
作者：Gao Huang， Zhuang Liu， Kilian Q. Weinberger， Laurens van der Maaten
下载地址：https://arxiv.org/abs/1608.06993

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1 简介

• 近几年的深度学习模型中，CNN一直是绝对主导地位。Resnet、GoogLeNet、VGG等优秀的网络都是基于CNN搭建的。然而，深层的CNN一直以来都存在一个问题：数据在多层传播后很可能会逐渐消失。Resnet通过“skip connection”结构一定程度上在促进了数据在层间的流通，但接近输出的网络层还是没有充分获得网络前面的特征图。
• 作者提出的DenseNets，在前向传播基础上，网络每一层都能接受到它前面所有层的特征图，并且数据聚合采用的是拼接而非Resnet中的相加。网络模型如下图所示：
  
• 这种连接方式有一个很大的优点。前向传播时，深层网络能获得浅层的信息，而反向传播时，浅层网络能获得深层的梯度信息。这样最大程度地促进了数据在网络间的流动。
• 另外，这种结构存在着大量的特征复用。因此只需要很少的参数，就可以达到state-of-the-art的效果。主要是体现在特征图的通道数上，相比VGG、ResNet的几百个通道，DenseNet可能只需要12、24个左右。

2 模型搭建

• 关键词：
  
  • Dense Block：作者将许多个卷积网络分成3~4个部分，这些部分叫做dense block，概念有些像残差网络的残差块。每个block中，都执行密集连接，block的输出再通过池化降低特征图尺寸。
    
  • Growth rate：由于网络采用拼接（Concatenate）的操作，通道数会逐层增加。作者在设计网络时固定了每个卷积层的输出通道数，因此每层增加的通道数一样的，Growth rate指的就是网络每层增加的通道数。用k表示。
  • Bottleneck：该网络是为了解决输入特征图层数太多的问题。它先进行BN、ReLU，再用一个1*1的卷积把输入通道变成相对小的一个固定值（作者设置为4k），之后再通过BN-ReLU-Conv3*3输出。也就是说，上图block每个黑点都是BN-ReLU-Conv1*1-BN-ReLU-Conv3*3的结构，其中Conv1*1的输出通道为4k，Conv3*3的输出通道为k。有该结构的网络叫做DenseNet-B。
  • Compreession：在两个Dense block中出现，为了压缩通道数。假设一个Dense block的输出是m，设置一个压缩值θ，用conv1*1将dense block的输出压缩成θm个通道。一般来说θ设置成0.5。Compresion在上图中被表示为block之间的那个“convolution”（前面一样还有BN-RELU）。如果使用了bottleneck和compression，网络就称作DenseNet-BC。

用于CIFAR、SVHN

• CIFAR10，CIFAR100、SVHN这三个数据集中，图像的大小只有32*32。作者只用3个Dense block，输出尺寸分别为32*32，16*16，8*8，另外没有bottleneck。作者设置了两种网络，分别为40层和100层，对应的growth rate分别为12和24。另外作者还是用了bottleneck来尝试，配置为：{L=100，k=12}，{L=250，k=24}，{L=190，k=40}
  

用于Imagenet

• 大致和上面相同，作者使用4个dense block，让图像最终尺寸变成经典的7*7。最开始的卷积尺寸为7*7，步长为2，将3通道的图像转换成2k通道的特征图。具体配置如下图。
  

3 实验

• 比较值得注意的就是下面的实验结果了。这是一个错误率-计算量的函数图。可以发现，在达成相同准确率的情况下，DenseNet所需的参数和浮点操作数远小于ResNet。这也是DenseNet的强大之处。