深度学习第18讲：CNN经典论文研读之VGG网络及其tensorflow实现

作者：鲁伟
一个数据科学践行者的学习日记。数据挖掘与机器学习，R与Python，理论与实践并行。
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      在前两期的论文研读中，笔者和大家一起学习了 LeNet-5 和 AlexNet 这两个经典的卷积神经网络结构和基本实现方式。今天我们继续 CNN 经典论文研读之路——VGGNet。VGGNet 是牛津大学计算机视觉组（Visual Geometry Group）和谷歌 DeepMind 一起研究出来的深度卷积神经网络，因而冠名为 VGG。在2014年的 ILSVRC 中取得了第二名的成绩，可能你会问这么厉害的网络为什么不是第一名，因为当年实际提交 VGG 版本时作者并未作进一步的优化，而当年的第一名则是我们后面要继续研读的 Google Inception Net。

      相较于之前的 LeNet-5 和 AlexNet，VGGNet 结构中大量使用 3x3 的卷积核和 2x2 的池化核，首次将卷积神经网络的卷积深度推向更深，最为典型的 VGGNet 是 VGG16 和 VGG19，其中的 16 的含义即网络中包含16个卷积层和全连接层， 19即即网络中包含19个卷积层和全连接层。VGGNet 的网络虽然开始加深但其结构并不复杂，但作者的实践却证明了卷积网络深度的重要性。深度卷积网络能够提取图像低层次、中层次和高层次的特征，因而网络结构需要的一定的深度来提取图像不同层次的特征。

VGG的网络结构

      在论文中，作者使用了 A-E 五个不同深度水平的卷积网络进行试验，从A到E网络深度不断加深：

      各结构网络所含训练参数：

      其中 D 和 E 即我们常说的 VGG16 和 VGG19。可以看到 VGG16 网络需要训练的参数数量达到了 1.38 亿个，这个数量是巨大的。我们以 VGG16 为例简单探究一下它的网络结构。

VGG16 各层的结构和参数如下：
C1-1层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 224 x 224 x 3  滤波器大小： 3 x 3 x 3   滤波器个数：64
输出： 224 x 224 x 64

C1-2层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 224 x 224 x 3  滤波器大小： 3 x 3 x 3   滤波器个数：64
输出： 224 x 224 x 64

P1层是C1-2后面的池化层，其输入输出结构如下：
输入： 224 x 224 x 64  滤波器大小： 2 x 2   滤波器个数：64
输出： 112 x 112 x 64

C2-1层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 112 x 112 x 64  滤波器大小： 3 x 3 x 64  滤波器个数：128
输出： 112 x 112 x 128

C2-2层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 112 x 112 x 64  滤波器大小： 3 x 3 x 64  滤波器个数：128
输出： 112 x 112 x 128

P2层是C2-2后面的池化层，其输入输出结构如下：
输入： 112 x 112 x 128 滤波器大小： 2 x 2   滤波器个数：128
输出： 56 x 56 x 128

C3-1层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 56 x 56 x 128  滤波器大小： 3 x 3 x 128  滤波器个数：256
输出： 56 x 56 x 256

C3-2层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 56 x 56 x 256  滤波器大小： 3 x 3 x 256  滤波器个数：256
输出： 56 x 56 x 256

C3-3层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 56 x 56 x 256  滤波器大小： 3 x 3 x 256  滤波器个数：256
输出： 56 x 56 x 256

P3层是C3-3后面的池化层，其输入输出结构如下：
输入： 56 x 56 x 256  滤波器大小： 2 x 2    滤波器个数：256
输出： 28 x 28 x 256

C4-1层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 28 x 28 x 256  滤波器大小： 3 x 3 x 256  滤波器个数：512
输出： 28 x 28 x 512

C4-2层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 28 x 28 x 512  滤波器大小： 3 x 3 x 256  滤波器个数：512
输出： 28 x 28 x 512

C4-3层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 28 x 28 x 512  滤波器大小： 3 x 3 x 256  滤波器个数：512
输出： 28 x 28 x 512

P4层是C4-3后面的池化层，其输入输出结构如下：
输入： 28 x 28 x 512 滤波器大小： 2 x 2    滤波器个数：512
输出： 14 x 14 x 512

C5-1层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 14 x 14 x 512  滤波器大小： 3 x 3 x 512  滤波器个数：512
输出： 14 x 14 x 512

C5-2层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 14 x 14 x 512  滤波器大小： 3 x 3 x 512  滤波器个数：512
输出： 14 x 14 x 512

C5-3层是个卷积层，其输入输出结构如下：
输入： 14 x 14 x 512  滤波器大小： 3 x 3 x 512  滤波器个数：512
输出： 14 x 14 x 512

P5层是C5-3后面的池化层，其输入输出结构如下：
输入： 14 x 14 x 512 滤波器大小： 2 x 2    滤波器个数：512
输出： 7 x 7 x 512

F6层是个全连接层，其输入输出结构如下：
输入：4096
输出：4096

F7层是个全连接层，其输入输出结构如下：
输入：4096
输出：4096

F8层也是个全连接层，即输出层，其输入输出结构如下：
输入：4096
输出：1000

      大致过程如 NG 老师的演示图：

      从上述的 VGG 结构分析中，我们可以看到这种网络结构非常规整，2-2-3-3-3的卷积结构也非常利于编程实现。卷积层的滤波器数量的变化也存在明显的规律，由64到128再到256和512，每一次卷积都是像素成规律的减少和通道数成规律的增加。

VGG16 的简单实现

      原本自己利用 Tensoflow 简单写了个 VGG16 的网络结构，但去谷歌一搜发现别人的代码写的实在太好了，以至于这里就不用自己代码展示 VGG16 了。编写的思路无非就是定义卷积过程、池化过程和全连接过程，然后将其封装到 VGG16 的模型函数中去，其中注意一些编写细节即可。

      笔者自己写的部分代码截图：

GitHub 上大佬的开源实现：

https://gist.github.com/ksimonyan/211839e770f7b538e2d8#file-readme-md

参考资料：

https://www.coursera.org/learn/machine-learning

https://www.deeplearning.ai/

https://gist.github.com/ksimonyan/211839e770f7b538e2d8#file-readme-md

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