更深层次的神经网络更难训练。我们提出了一个残差学习框架，以简化对比以前使用的网络更深入的网络的训练。我们根据层输入显式地将层重新表示为学习残差函数（ learning residual functions），而不是学习未定义函数。我们提供了综合的经验证据，表明这些残差网络易于优化，并且可以从大幅度增加的深度中获得精度。在ImageNet数据集上，我们估计残差网络的深度可达152层--是vgg网络的8倍深[41]，但仍然具有较低的复杂性。这些残差网的集合在图像集上的误差达到了3.57%。 这个结果获得了ILSVRC2015的分类任务第一名，我们还用CIFAR-10数据集分析了100层和1000层的网络。
表示的深度对于许多视觉识别任务是非常重要的。仅仅由于我们的表示非常深入，我们在coco对象检测数据集上得到了28%的相对改进。 深度残差网络是我们参加ILSVRC & COCO 2015 竞赛上所使用模型的基础，并且我们在ImageNet检测、ImageNet定位、COCO检测以及COCO分割上均获得了第一名的成绩。
在深度重要性的驱动下，出现了一个问题：学习更好的网络就像堆积更多的层一样容易吗？回答这个问题的一个障碍是臭名昭著的梯度消失/爆炸[1，9]的问题，它从一开始就阻碍了收敛（hamper convergence ）。然而，这个问题在很大程度上是通过标准化初始化[23，9，37，13]和中间归一化层[16]来解决的，这使得数十层的网络在反向传播的随机梯度下降（SGD）上能够收敛。
图1 20层和56层的“简单”网络在CIFAR-10上的训练误差（左）和测试误差（右）。更深的网络有更高的训练误差和测试误差。ImageNet上的类似现象如图4所示。
当更深的网络能够开始收敛时，一个退化的问题就暴露出来了：随着网络深度的增加，精确度变得饱和(这可能不足为奇)，然后迅速退化。出乎意料的是，这种退化并不是由于过度拟合造成的，而且在适当深度的模型中增加更多的层会导致更高的训练误差，正如[11，42]中所报告的，并通过我们的实验进行了彻底验证。图1显示了一个典
图2. 残差学习：构建块
3.57% top-5的错误率，并在ILSVRC 2015分类比赛中获得了第一名。极深的表示在其它识别任务中也有极好的泛化性能，并带领我们在进一步赢得了第一名：包括ILSVRC & COCO 2015竞赛中的ImageNet检测，ImageNet定位，COCO检测和COCO分割。坚实的证据表明残差学习准则是通用的，并且我们期望它适用于其它的视觉和非视觉问题。在实际情况下，恒等映射不太可能是最优的，但是我们的重新表达对于这个问题的预处理是有帮助的。如果最优函数更接近于恒等映射而不是零映射，则求解者应该更容易找到与恒等映射有关的扰动（perturbations），而不是将其作为新的扰动来学习。我们通过实验(图7)证明了学习的残差函数一般都有较小的响应，说明恒等映射提供了合理的预条件
我们对每几个层叠的层次采用残差学习。图2中展示出了一个积木块（building block ）。形式上，在本文中，我们考虑了一个积木块被定义为：
这里x和y是考虑的层的输入和输出向量。函数
Eq.1中的shortcut连接没有增加额外的参数和计算复杂度。这不仅在实践中很有吸引力，而且在我们比较普通网络和残差网络时也很重要。 我们可以在参数、深度、宽度以及计算成本都相同的基础上对两个网络进行公平的比较（除了可以忽略不计的元素级的加法）。
在eqn.（1）中，x和F的维数必须相等。如果情况并非如此(例如，在更改输入/输出通道时)，我们可以通过快捷连接执行线性投影W s ，以匹配维度：
我们还可以在eqn(1)中使用方阵Ws。但是，我们将通过实验证明，恒等映射对于解决退化问题是足够的，而且是经济的，因此只有在匹配维数时才使用Ws。
残差函数F的形式是灵活的。本文的实验涉及一个函数F，它有两个或三个层(图5)，然而它可能有更多的层。但如果F只有一个单层，则eqn.(1)类似于线性层：y=w1x+x，对此我们没有发现任何优势。
我们还注意到，虽然为了简单起见，上述表示法是关于全连通层的，但它们适用于卷积层。函数F(x，{wi})可以表示多个卷积层.元素级加法是在两个特征映射上相应通道上执行的。
我们测试了各种普通/残差网络，并观察到一致的现象。为了提供讨论的实例，我们对ImageNet的两个模型进行了如下描述。
Plain网络。我们的plain网络结构(图3，中)主要受VGG网络 (图.3，左)的启发。卷积层主要为3*3的滤波器，并遵循以下两点要求：(i) 输出特征映射尺寸相同的层含有相同数量的滤波器；(ii) 如果特征尺寸减半，则滤波器的数量增加一倍来保证每层的时间复杂度相同。我们直接用步长为2的卷积层进行下采样。网络以一个全局平均池层和一个带有Softmax的1000路全连接层结束。在图3(中)，有权值的层的总数为34 。
值得注意的是，与vgg网[41]（图3，左）相比，我们的模型具有更少的滤波器和更低的复杂度。我们的34层基线（baseline）有36亿FLOPs乘加)，仅为VGG-19(196亿FLOPs)的18%。
图3 对应于ImageNet的网络框架举例。 左：VGG-19模型 （196亿个FLOPs）作为参考。中：plain网络，含有34个参数层（36 亿个FLOPs）。右：残差网络，含有34个参数层（36亿个FLOPs）。虚线表示的shortcuts增加了维度。Table 1展示了更多细节和其它变体。
表1. 对应于ImageNet的结构框架。括号中为构建块的参数(同样见Fig.5)，数个构建块进行堆叠。下采样由stride为2的conv3_1、conv4_1和conv5_1 来实现。
残差网络。基于上述plain网络，我们插入快捷连接(图3,右)将网络转换为对应的残差版本。当输入和输出尺寸相同时(图3中的实线快捷连接)，可以直接使用恒等快捷键(eqn.1)。 当维度增加时（Fig.3中的虚线部分），考虑两个选项： (A) shortcut仍然使用恒等映射，在增加的维度上使用0来填充，这样做不会增加额外的参数； (B) 使用Eq.2的映射shortcut来使维度保持一致（通过1*1的卷积）。 对于这两个选项，当shortcut跨越两种尺寸的特征图时，均使用stride为2的卷积。
我们对ImageNet的实现遵循了[21，41]中的做法。 调整图像的大小使它的短边长度随机的从[256,480] 中采样来进行尺寸扩展（ scale augmentation）[41]。 从图像或其水平翻转中随机抽取224×224 crop，并减去每个像素平均（the per-pixel mean）[21]。使用了[21]中的标准颜色增强。我们遵循[16]，在每次卷积之后，在激活之前采用批归一化(BN)[16]。我们像[13]一样初始化权重，从零开始训练所有plain/残差网。我们使用小批量大小为256的SGD。学习速率从0.1开始，当误差稳定时除以10，并且 整个模型进行60∗10^4次迭代训练。我们使用的权重衰减为0.0001，动量为0.9。我们不使用Dropout[14]，按照[16]的做法。
在测试中，为了进行比较，我们采取标准的10-crop测试。 为了取得最好的效果，我们采用了[41，13]中的全卷积形式，并且在多尺度上平均分数(图像被调整大小，使较短的一面为{224，256，386，480，640})。
我们在ImageNet 2012分类数据集[36]上评估了我们的方法，该数据集包含1000个类。模型在128万张训练图像上进行了巽寮，在50k验证图像上进行了评估。我们还获得了测试服务器报告的100 k张测试图像的最终结果。我们评估了前1位和前5位的错误率（top-1 and top-5 error rates）。
普通的网络。我们首先评估18层和34层普通网。34层普通网在图3(中)。18层普通网具有类似的形式.详细的体系结构见表1。
表2的结果表明，较深的34层普通网比较浅的18层普通网具有更高的验证误差。为了揭示原因。在图4(左)中，我们在训练过程中比较他们的训练/验证错误。我们在整个训练过程中观察到了34层普通网的退化问题---它在整个训练过程中训练误差较大，尽管18层普通网的解空间（ solution space）是34层普通网的子空间。
图4、关于ImageNet的训练。细曲线表示训练误差，粗体曲线表示中心crop的验证误差。左：18层和34层的普通网络。右：18层和34层残差网络。在此图中，与普通网络相比，残差网络没有（增加）额外的参数。
表2、ImageNet验证上的Top-1错误(%，10-crop 测试)。在这里，与普通的对等网相比，残差网没有额外的参数。图4展示了培训过程。
我们认为这种优化困难不太可能是由梯度消失引起的。这些简单的网络使用BN[16]进行训练，从而确保前向传播的信号具有非零方差。我们还验证了使用BN的向后传播梯度具有健康的行为（norms）。所以无论向前还是向后信号都不会消失。事实上，34层普通网仍然能够达到具有竞争力的精度(表3)，这表明求解器在某种程度上可以工作。我们推测深普通网可能具有指数级别的低收敛速度，从而影响训练误差的减小【3--我们已经试验了更多的训练迭代(3×)，并仍然观察到退化问题，这表明这个问题不可能通过简单地使用更多的迭代来解决】。这种优化困难的原因将在今后进行研究。
残差网络。接下来，我们评估18层和34层残差网(ResNet).基线结构与上述普通网相同，只是要求在每对3×3过滤器中添加一个快捷连接，如图3(右）所示。在第一个比较中(表2和图4右)，我们使用所有快捷方式为恒等映射，以及使用零填充增加维度(选项A)。因此，与普通的对应网络相比，它们没有额外的参数。
我们从表2和图4中有三个主要的观察结果。首先，使用残差学习的情况与之前（普通网）相反----34层ResNet优于18层 ResNet(2.8%).更重要的是，34层ResNet的训练误差要小得多，并且可以推广到验证数据.这表明，在这种情况下，退化问题得到了很好的解决，并且我们设法从增加的深度中获得了精度增益。
第二，与普通的对应网络相比，34层ResNet使Top-1误差减少了3.5%(表2)，这是成功地减少了训练误差(图2)的结果（图4右 VS 左)）。这一比较验证了残差学习在极深系统上的有效性。
最后，我们还注意到，18层普通/残差网具有大致相等的精确率(表2)，但18层ResNet的收敛速度更快(图4右 VS 左)。当网络“不太深”(比如这里的18层)时，当前的SGD解决程序仍然能够为普通网络找到好的解决方案。在这种情况下，ResNet通过在早期阶段提供更快的收敛速度来简化优化。
恒等快捷键 VS 投影快捷键（ Projection Shortcuts）。我们已经证明，无参数的恒等快捷键有助于培训。接下来我们研究投影快捷键(eqn.(2)。在表3中，我们比较了三个选项：(A)零填充快捷键用于增加维度，所有快捷方式都是无参数的(与表2和图4右相同)；(B)投影快捷键用于增加尺寸，而其他快捷键是恒等快捷键；(C)所有快捷键都是投影快捷键。
表3、对ImageNet验证的错误率(%，10-crop测试)。vgg-16是基于我们的测试。ResNet-50/101/152属于方案B ，它只对增加的维度使用投影（快捷键）。
表3显示，所有这三个选项都比普通的对应方案要好得多。B比A稍好。我们认为，这是因为A中零填充的维度实际上并没有（使用）残差学习。C比b略好，我们把这归因于许多(13个)投影快捷键引入的额外参数。但是a/b/c之间的小差异表明，投影快捷键对于解决退化问题并不重要。因此，在本文的其余部分中，我们不使用选项c以降低计算/时间复杂度和模型大小。恒等快捷键对于不增加下面介绍的瓶颈架构（bottleneck architectures）的复杂性特别重要。
更深层次的瓶颈架构。接下来，我们将描述我们针对ImageNet的更深层次的网络。由于考虑到我们负担得起的训练时间，我们将积木块（building block）修改为瓶颈设计（bottleneck design）。对于每个残差函数F，我们使用一个由3层组成的堆栈，而不是2层(图5)。这三层分别是1×1、3×3和1×1卷积，其中1×1层负责减小然后增加(恢复)维数，使3×3层成为输入/输出维数较小的瓶颈。图5给出了一个例子，其中两种设计都具有相似的时间复杂度。
图5、ImageNet的一个更深层次的残差函数F。左图：如图3所示的用于ResNet-34的一个及积木块(在56×56特征图上)。右：ResNet-50/101/152的“瓶颈”积木块。
无参数的恒等快捷键对于瓶颈架构尤其重要。如果是图5（右）中的同恒等快捷键用投影快捷键代替，可以看出时间复杂度和模型大小加倍，因为快捷方式连接到两个高维端点。因此，恒等快捷键为瓶颈设计提供了更有效的模型。
50层ResNet：我们将34层网络中的每个2层块替换为这个3层瓶颈块，从而形成一个50层ResNet(表1).我们使用选项B来增加维度。这种模式有38亿次FLOPs。
101层和152层 ResNet：我们使用更多的三层块来构造101层和152层的ResNet(表1).值得注意的是，虽然深度明显增加，但152层 ResNet((113亿次 FLOPs)的复杂性仍然低于vgg-16/19网(153/196亿次 FLOPs)。
50/101/152层ResNet比34层网有相当大程度的准确率提升(表3和表4)。我们没有观察到退化的问题，因此，我们可以享受从大大增加的深度中获得的显著的精确性。所有评价指标都能看到深度的好处(表3和表4)。
表4、ImageNet验证集上单模型结果的错误率(%)(除了†报告了测试集)。
和最先进的方法比较。在表4中，我们将与之前最好的单模型结果进行比较。我们的基线34层ResNet已经达到了非常竞争的准确性。我们的152层 ResNet的单模型Top-5验证误差为4.49%。这个单一模型的结果优于所有以前的集成结果(表5)。我们将六个不同深度的模型组合成一个整体(在提交时只有两个152层网络)。这将得到了测试集上3.57%的Top-5错误(表5).这一项目获得了2015年ILSVRC的第一名。
表5、组合的错误率(%)。在ImageNet的测试集上的top-5错误，并由测试服务器报告。
我们在CIFAR-10数据集[20]进行了更多的研究，该数据集包括50个训练图像和10个类别的10k测试图像。我们在训练集上进行了实验训练，并在测试集上进行了评估。我们的重点是极深网络的行为，而不是推进最先进的结果，所以我们故意使用简单的架构如下。
普通/残差结构遵循图3(中/右)中的形式。网络输入32×32图像，每像素被减去每像素平均（ with the per-pixel mean subtracted）。第一层为3×3卷积层。然后，我们在尺寸为{32，16，8}的特征映射上分别使用3×3卷积的共6n层叠加，每个特征地图大小都有2n层。滤波数分别为{16，32，64}。下采样是以2的步长的卷积来执行的。。网络以全局平均池、10路全连接层和softmax为结束。共有6n+2层加权层。下表概述了该体系结构：
当使用快捷连接时，它们被连接到3×3层的对上(总共3n条捷径)。在这个数据集中，我们在所有情况下都使用恒等快捷键(即选项A)，因此，我们的残差模型的深度、宽度和参数与对应的普通模型完全相同。
我们使用权重衰减为0.0001，动量为0.9，采用了在[13]中的权值初始化在[13]和bn[16]，但没有使用Dropout。这些模型是在两个GPU上训练的，小批量大小为128。我们的学习速度为0.1，在第32K和48K次迭代时除以10，在64k迭代时终止训练，这是由45k/5k训练/验证的分割决定。我们按照[24]中的简单数据增强进行训练：每边填充4个像素，从填充图像或水平翻转中随机抽取32×32帧。对于测试，我们只评估原始32×32图像的单一图像。
我们比较n={3，5，7，9}，从而形成的20，32，44和56层网络。图6(左)显示了普通网的行为。深普通网随着深度增大，深度训练误差较大。这个现象类似于ImageNet(图4左）和mnist(见[42])上的现象，这表明这种优化困难是一个基本问题。
表6、CIFAR-10测试集的分类错误。所有方式都有数据增强。对于ResNet-110，我们运行5次，显示“最佳(平均±STD)”，如[43]中。
我们进一步探索了当n=18时获得的110层ResNet。在这种情况下，我们发现初始学习速率0.1太大，以致无法开始收敛。因此，我们使用0.01的学习速率为训练热身，直到训练误差小于80%(约400次迭代)，然后将学习速率改为0.1继续训练。学习计划的其余部分和以前一样。这个110层网络能够很好地收敛(图6， 中)。它的参数比 FitNet[35]和 Highway[42](表6)等其他深而瘦的网络少，但却是最先进的结果之一(6.43%，表6)。
图6、在CIFAR-10上的训练。虚线表示训练错误，粗体线表示测试错误。左：普通网络。普通-110的误差大于60%，不显示。中间：残差网。右：有110层和1202层的残差网。
层响应分析。图7显示层响应的标准差(std)。响应为每个3×3层的输出，它在BN之后，在其它非线性(relu/加法)之前。对于ResNet，本分析揭示了残差函数的响应强度。图7表明残差网的响应一般比普通网的小。这些结果支持了我们的基本动机(第3.1节)，即残差函数一般比非残差函数更接近于零。我们还注意到，较深的ResNet的响应幅度较小，如图7中ResNet-20、56和110之间的比较所示。当有更多的层时，单个的一层残差网倾向于对信号进行较少的修改。
图7、CIFAR-10层响应的标准差(STD)。响应是每个3×3层的输出，在BN之后，在非线性之前。顶部：各层按原来的顺序显示。底部：响应按降序排列。
探索超过1000层（的网络）。我们探索了一个超过1000层的深度模型。我们设置n=200得到1202层网络，该网络就像上面所描述的那样被训练。我们的方法不存在优化困难，该1000层网络的训练误差小于0.1%(图6，右)。它的测试误差仍然相当好(7.93%，表6)。
但在这些激进的深层次模型上，仍存在一些有待解决的问题。这个1202层网络的测试结果比我们的110层网络差，尽管两者都有相似的训练误差。我们认为这是因为过拟合。对于这个小数据集，1202层网络可能不必要地大(19.4M)。在此数据集使用强正则化，如maxout[10]或dropout[14]，可以获得最佳结果([10，25，24，35]。但在本文中，我们使用的是无 maxout/无漏的方法，只需通过深而瘦的结构设计来实现正则化，而不分散对优化的困难的关注。但是，与更强的正则化相结合可以提高结果，这是我们今后研究的方向。
该方法对其它识别任务具有较好的泛化性能。表7和表8显示了PASCAL VOC 2007 and 2012[5]和COCO[26]的目标检测基线结果。我们采用Faster R-CNN[32]作为检测方法。在这里，我们对用ResNet-101替换VGG-16[41]的改进感兴趣。使用这两种模型的检测实现(见附录)是相同的，因此收益只能归功于更好的网络。最值得注意的是，在具有挑战性的coco数据集上，我们得到了coco标准度量的6.0%的增长(map@[.5，.95])，，这是一个28%的相对改进。这一收益完全归功于所学习的表述（learned representations）。
表7、在Pascal voc 2007/2012测试集上使用基线Faster R-CNN的目标检测 mAP(%)。更好的结果见10和11。
表8、在coco验证集上 使用基线Faster R-CNN的目标检测mAP(%)。另见表9，以获得更好的结果。
基于深度剩余网，我们在ILSVRC的几个项目中获得了第一名：Imagenet检测，ImageNet定位，coco检测和coco分割。详情见附录。
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Deep Residual Learning for Image Recognition——ResNet论文翻译
原文：https://www.cnblogs.com/baby-lily/p/12623455.html