深度学习——VGG16模型详解

1、网络结构

VGG16模型很好的适用于分类和定位任务，其名称来自牛津大学几何组（Visual Geometry Group）的缩写。

根据卷积核的大小核卷积层数，VGG共有6种配置，分别为A、A-LRN、B、C、D、E，其中D和E两种是最为常用的VGG16和VGG19。

介绍结构图：

• conv3-64 ：是指第三层卷积后维度变成64，同样地，conv3-128指的是第三层卷积后维度变成128；
• input（224x224 RGB image） ：指的是输入图片大小为224244的彩色图像，通道为3，即224224*3；
• maxpool ：是指最大池化，在vgg16中，pooling采用的是2*2的最大池化方法（如果不懂最大池化，下面有解释）；
• FC-4096 :指的是全连接层中有4096个节点，同样地，FC-1000为该层全连接层有1000个节点；
• padding：指的是对矩阵在外边填充n圈，padding=1即填充1圈，5X5大小的矩阵，填充一圈后变成7X7大小；
• 最后补充，vgg16每层卷积的滑动步长stride=1，padding=1，卷积核大小为333；
   

如上图VGG16的网络结构为，VGG由5层卷积层、3层全连接层、softmax输出层构成，层与层之间使用max-pooling（最大化池）分开，所有隐层的激活单元都采用ReLU函数。具体信息如下：

• 卷积-卷积-池化-卷积-卷积-池化-卷积-卷积-卷积-池化-卷积-卷积-卷积-池化-卷积-卷积-卷积-池化-全连接-全连接-全连接
•  通道数分别为64，128，512，512，512，4096，4096，1000。卷积层通道数翻倍，直到512时不再增加。通道数的增加，使更多的信息被提取出来。全连接的4096是经验值，当然也可以是别的数，但是不要小于最后的类别。1000表示要分类的类别数。
• 用池化层作为分界，VGG16共有6个块结构，每个块结构中的通道数相同。因为卷积层和全连接层都有权重系数，也被称为权重层，其中卷积层13层，全连接3层，池化层不涉及权重。所以共有13+3=16层。
• 对于VGG16卷积神经网络而言，其13层卷积层和5层池化层负责进行特征的提取，最后的3层全连接层负责完成分类任务。

2、VGG16的卷积核

• VGG使用多个较小卷积核（3x3）的卷积层代替一个卷积核较大的卷积层，一方面可以减少参数，另一方面相当于进行了更多的非线性映射，可以增加网络的拟合/表达能力。
• 卷积层全部都是3*3的卷积核，用上图中conv3-xxx表示，xxx表示通道数。其步长为1，用padding=same填充。
• 池化层的池化核为2*2

3、卷积计算

具体的过程：

1. 输入图像尺寸为224x224x3，经64个通道为3的3x3的卷积核，步长为1，padding=same填充，卷积两次，再经ReLU激活，输出的尺寸大小为224x224x64
2. 经max pooling（最大化池化），滤波器为2x2，步长为2，图像尺寸减半，池化后的尺寸变为112x112x64
3. 经128个3x3的卷积核，两次卷积，ReLU激活，尺寸变为112x112x128
4. max pooling池化，尺寸变为56x56x128
5. 经256个3x3的卷积核，三次卷积，ReLU激活，尺寸变为56x56x256
6. max pooling池化，尺寸变为28x28x256
7. 经512个3x3的卷积核，三次卷积，ReLU激活，尺寸变为28x28x512
8. max pooling池化，尺寸变为14x14x512
9. 经512个3x3的卷积核，三次卷积，ReLU，尺寸变为14x14x512
10. max pooling池化，尺寸变为7x7x512
11. 然后Flatten()，将数据拉平成向量，变成一维51277=25088。
12. 再经过两层1x1x4096，一层1x1x1000的全连接层（共三层），经ReLU激活
13. 最后通过softmax输出1000个预测结果

从上面的过程可以看出VGG网络结构还是挺简洁的，都是由小卷积核、小池化核、ReLU组合而成。其简化图如下（以VGG16为例）：

 4、权重参数（不考虑偏置）

1)输入层有0个参数，所需存储容量为224x224x3=150k
2）对于第一层卷积，由于输入图的通道数是3，网络必须要有通道数为3的的卷积核，这样的卷积核有64个，因此总共有（3x3x3）x64 = 1728个参数。
所需存储容量为224x224x64=3.2M
计算量为：输入图像224×224×3，输出224×224×64，卷积核大小3×3。

所以Times=224×224×3x3×3×64=8.7×107

3）池化层有0个参数，所需存储容量为 图像尺寸x图像尺寸x通道数=xxx k
4）全连接层的权重参数数目的计算方法为：前一层节点数×本层的节点数。因此，全连接层的参数分别为：
7x7x512x4096 = 1027,645,444
4096x4096 = 16,781,321
4096x1000 = 4096000
按上述步骤计算的VGG16整个网络总共所占的存储容量为24M*4bytes=96MB/image 。

所有参数为138M
VGG16具有如此之大的参数数目，可以预期它具有很高的拟合能力；

但同时缺点也很明显：
即训练时间过长，调参难度大。
需要的存储容量大，不利于部署。
5、VGG模型所需要的内存容量

借鉴一下大佬的图：

 6、总结

• 通过增加深度能有效地提升性能；
• VGG16是最佳的模型，从头到尾只有3x3卷积与2x2池化，简洁优美；
• 卷积可代替全连接，可适应各种尺寸的图片。