VGG

前言　　

　　VGGNet是牛津大学计算机视觉组（VisualGeometry Group）和GoogleDeepMind公司的研究员一起研发的的深度卷积神经网络。VGGNet探索了卷积神经网络的深度与其性能之间的关系，通过反复堆叠3*3的小型卷积核和2*2的最大池化层，VGGNet成功地构筑了16~19层深的卷积神经网络。VGGNet相比之前state-of-the-art的网络结构，错误率大幅下降，并取得了ILSVRC 2014比赛分类项目的第2名和定位项目的第1名。同时VGGNet的拓展性很强，迁移到其他图片数据上的泛化性非常好。VGGNet的结构非常简洁，整个网络都使用了同样大小的卷积核尺寸（3*3）和最大池化尺寸（2*2）。到目前为止，VGGNet依然经常被用来提取图像特征。VGGNet训练后的模型参数在其官方网站上开源了，可用来在特定的图像分类任务上进行再训练（相当于提供了非常好的初始化权重），因此被用在了很多地方。

VGG原理　　

VGG16相比AlexNet的一个改进是采用连续的几个3x3的卷积核代替AlexNet中的较大卷积核（11x11，7x7，5x5）。对于给定的感受野（与输出有关的输入图片的局部大小），采用堆积的小卷积核是优于采用大的卷积核，因为多层非线性层可以增加网络深度来保证学习更复杂的模式，而且代价还比较小（参数更少）。

　　简单来说，在VGG中，使用了3个3x3卷积核来代替7x7卷积核，使用了2个3x3卷积核来代替5*5卷积核，这样做的主要目的是在保证具有相同感知野的条件下，提升了网络的深度，在一定程度上提升了神经网络的效果。

　　比如，3个步长为1的3x3卷积核的一层层叠加作用可看成一个大小为7的感受野（其实就表示3个3x3连续卷积相当于一个7x7卷积），其参数总量为 3x(9xC^2) ，如果直接使用7x7卷积核，其参数总量为 49xC^2 ，这里 C 指的是输入和输出的通道数。很明显，27xC^2小于49xC^2，即减少了参数；而且3x3卷积核有利于更好地保持图像性质。

这里解释一下为什么使用2个3x3卷积核可以来代替5*5卷积核：

　　5x5卷积看做一个小的全连接网络在5x5区域滑动，我们可以先用一个3x3的卷积滤波器卷积，然后再用一个全连接层连接这个3x3卷积输出，这个全连接层我们也可以看做一个3x3卷积层。这样我们就可以用两个3x3卷积级联（叠加）起来代替一个 5x5卷积。

VGG网络结构

下面是VGG网络的结构（VGG16和VGG19都在）：

• VGG16包含了16个隐藏层（13个卷积层和3个全连接层），如上图中的D列所示
• VGG19包含了19个隐藏层（16个卷积层和3个全连接层），如上图中的E列所示

 VGG网络的结构非常一致，从头到尾全部使用的是3x3的卷积和2x2的max pooling

VGG-16

　　假设这个小图是我们的输入图像，尺寸是224×224×3，进行第一个卷积之后得到224×224×64的特征图，接着还有一层224×224×64，得到这样2个厚度为64的卷积层，意味着我们用64个过滤器进行了两次卷积。正如我在前面提到的，这里采用的都是大小为3×3，步幅为1的过滤器，并且都是采用same卷积，所以我就不再把所有的层都画出来了，只用一串数字代表这些网络。

　　接下来创建一个池化层，池化层将输入图像进行压缩，从224×224×64缩小到多少呢？没错，减少到112×112×64。然后又是若干个卷积层，使用129个过滤器，以及一些same卷积，我们看看输出什么结果，112×112×128.然后进行池化，可以推导出池化后的结果是这样（56×56×128）。接着再用256个相同的过滤器进行三次卷积操作，然后再池化，然后再卷积三次，再池化。如此进行几轮操作后，将最后得到的7×7×512的特征图进行全连接操作，得到4096个单元，然后进行softmax激活，输出从1000个对象中识别的结果。

 

　　顺便说一下，VGG-16的这个数字16，就是指在这个网络中包含16个卷积层和全连接层。确实是个很大的网络，总共包含约1.38亿个参数，即便以现在的标准来看都算是非常大的网络。但VGG-16的结构并不复杂，这点非常吸引人，而且这种网络结构很规整，都是几个卷积层后面跟着可以压缩图像大小的池化层，池化层缩小图像的高度和宽度。同时，卷积层的过滤器数量变化存在一定的规律，由64翻倍变成128，再到256和512。作者可能认为512已经足够大了，所以后面的层就不再翻倍了。无论如何，每一步都进行翻倍，或者说在每一组卷积层进行过滤器翻倍操作，正是设计此种网络结构的另一个简单原则。这种相对一致的网络结构对研究者很有吸引力，而它的主要缺点是需要训练的特征数量非常巨大。

VGG优缺点

VGG优点

VGGNet的结构非常简洁，整个网络都使用了同样大小的卷积核尺寸（3x3）和最大池化尺寸（2x2）。

几个小滤波器（3x3）卷积层的组合比一个大滤波器（5x5或7x7）卷积层好：

验证了通过不断加深网络结构可以提升性能。

VGG缺点

VGG耗费更多计算资源，并且使用了更多的参数（这里不是3x3卷积的锅），导致更多的内存占用（140M）。其中绝大多数的参数都是来自于第一个全连接层。VGG可是有3个全连接层啊！

 代码实现，分别用原生tensorflow和slim实现

tensorflow

import tensorflow as tf

#VGGNet-16包含很多层卷积，我们先写一个函数conv_op，用来创建卷积层并把本层的参数存入参数列表。
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:
        kernel = tf.get_variable(scope+'w',shape=[kh,kw,n_in,n_out],dtype=tf.float32,initializer=tf.contrib.layers.xavier_initializer_conv2d())
        conv = tf.nn.conv2d(input_op,kernel,(1,dh,dw,1),padding='SAME')
        bias_init_val = tf.constant(0.0,shape=[n_out],dtype=tf.float32)
        biases = tf.Variable(bias_init_val,trainable=True,name='b')
        z = tf.nn.bias_add(conv,biases)
        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):
    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 = []
    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)

    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, dw=2, dh=2)

    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, dw=2, dh=2)

    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, dw=2, dh=2)

    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)

    shp = pool5.get_shape()
    flattened_shape = shp[1].value * shp[2].value * shp[3].value
    resh1 = tf.reshape(pool5, [-1, flattened_shape], name="resh1")

    fc6 = fc_op(resh1, name="fc6", n_out=4096, p=p)
    fc6_drop = tf.nn.dropout(fc6, keep_prob, name="fc6_drop")

    fc7 = fc_op(fc6_drop, name="fc7", n_out=4096, p=p)
    fc7_drop = tf.nn.dropout(fc7, keep_prob, name="fc7_drop")

    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

slim实现

def vgg16(inputs):
      with slim.arg_scope([slim.conv2d, slim.fully_connected],
                activation_fn=tf.nn.relu,
                weights_initializer=tf.truncated_normal_initializer(0.0, 0.01),
                weights_regularizer=slim.l2_regularizer(0.0005)):
        net = slim.repeat(inputs, 2, slim.conv2d, 64, [3, 3], scope='conv1')
        net = slim.max_pool2d(net, [2, 2], scope='pool1')
        net = slim.repeat(net, 2, slim.conv2d, 128, [3, 3], scope='conv2')
        net = slim.max_pool2d(net, [2, 2], scope='pool2')
        net = slim.repeat(net, 3, slim.conv2d, 256, [3, 3], scope='conv3')
        net = slim.max_pool2d(net, [2, 2], scope='pool3')
        net = slim.repeat(net, 3, slim.conv2d, 512, [3, 3], scope='conv4')
        net = slim.max_pool2d(net, [2, 2], scope='pool4')
        net = slim.repeat(net, 3, slim.conv2d, 512, [3, 3], scope='conv5')
        net = slim.max_pool2d(net, [2, 2], scope='pool5')
         net = slim.flatten(net)
        net = slim.fully_connected(net, 4096, scope='fc6')
        net = slim.dropout(net, 0.5, scope='dropout6')
        net = slim.fully_connected(net, 4096, scope='fc7')
        net = slim.dropout(net, 0.5, scope='dropout7')
        net = slim.fully_connected(net, 1000, activation_fn=None, scope='fc8')
      return net