为什么神经网络越深越难训练

‘壹’ 机器学习之人工神经网络算法

机器学习中有一个重要的算法，那就是人工神经网络算法，听到这个名称相信大家能够想到人体中的神经。其实这种算法和人工神经有一点点相似。当然，这种算法能够解决很多的问题，因此在机器学习中有着很高的地位。下面我们就给大家介绍一下关于人工神经网络算法的知识。
1.神经网络的来源
我们听到神经网络的时候也时候近一段时间，其实神经网络出现有了一段时间了。神经网络的诞生起源于对大脑工作机理的研究。早期生物界学者们使用神经网络来模拟大脑。机器学习的学者们使用神经网络进行机器学习的实验，发现在视觉与语音的识别上效果都相当好。在BP算法诞生以后，神经网络的发展进入了一个热潮。
2.神经网络的原理
那么神经网络的学习机理是什么？简单来说，就是分解与整合。一个复杂的图像变成了大量的细节进入神经元，神经元处理以后再进行整合，最后得出了看到的是正确的结论。这就是大脑视觉识别的机理，也是神经网络工作的机理。所以可以看出神经网络有很明显的优点。
3.神经网络的逻辑架构
让我们看一个简单的神经网络的逻辑架构。在这个网络中，分成输入层，隐藏层，和输出层。输入层负责接收信号，隐藏层负责对数据的分解与处理，最后的结果被整合到输出层。每层中的一个圆代表一个处理单元，可以认为是模拟了一个神经元，若干个处理单元组成了一个层，若干个层再组成了一个网络，也就是”神经网络”。在神经网络中，每个处理单元事实上就是一个逻辑回归模型，逻辑回归模型接收上层的输入，把模型的预测结果作为输出传输到下一个层次。通过这样的过程，神经网络可以完成非常复杂的非线性分类。
4.神经网络的应用。
图像识别领域是神经网络中的一个着名应用，这个程序是一个基于多个隐层构建的神经网络。通过这个程序可以识别多种手写数字，并且达到很高的识别精度与拥有较好的鲁棒性。可以看出，随着层次的不断深入，越深的层次处理的细节越低。但是进入90年代，神经网络的发展进入了一个瓶颈期。其主要原因是尽管有BP算法的加速，神经网络的训练过程仍然很困难。因此90年代后期支持向量机算法取代了神经网络的地位。
在这篇文章中我们大家介绍了关于神经网络的相关知识，具体的内容就是神经网络的起源、神经网络的原理、神经网络的逻辑架构和神经网络的应用，相信大家看到这里对神经网络知识有了一定的了解，希望这篇文章能够帮助到大家。

‘贰’ bp算法在深度神经网络上为什么行不通

BP算法作为传统训练多层网络的典型算法，实际上对仅含几层网络，该训练方法就已经很不理想，不再往下进行计算了，所以不适合深度神经网络。

BP算法存在的问题：

（1）梯度越来越稀疏：从顶层越往下，误差校正信号越来越小。

（2）收敛到局部最小值：尤其是从远离最优区域开始的时候（随机值初始化会导致这种情况的发生）。

（3）一般，我们只能用有标签的数据来训练：但大部分的数据是没标签的，而大脑可以从没有标签的的数据中学习。

深度神经网络的特点：

多层的好处是可以用较少的参数表示复杂的函数。

在监督学习中，以前的多层神经网络的问题是容易陷入局部极值点。如果训练样本足够充分覆盖未来的样本，那么学到的多层权重可以很好的用来预测新的测试样本。

非监督学习中，以往没有有效的方法构造多层网络。多层神经网络的顶层是底层特征的高级表示，比如底层是像素点，上一层的结点可能表示横线，三角； 而顶层可能有一个结点表示人脸。一个成功的算法应该能让生成的顶层特征最大化的代表底层的样例。

如果对所有层同时训练，时间复杂度会太高； 如果每次训练一层，偏差就会逐层传递。这会面临跟上面监督学习中相反的问题，会严重欠拟合。

‘叁’ 深度卷积网络

LeNet网络的结构如下图所示，可以看出，LeNet网络并没有使用padding，每进行一次卷积，图像的高度和宽度都会缩小，而通道数会一直增加。在全连接层中有400个节点，每个极点都有120个神经元，有时还会从这400个节点抽取一部分节点构建一个全连接层，即有两个全连接层。在该网络中，最后一步就是利用84个特征得到最后的输出，该网络刚开始使用的是 sigmoid 函数 tanh 函数，而现在常常倾向于使用 softmax 函数。需要注意的是，LeNet-5网络进行图像分类时，输入的图像是单通道的灰度图像。

AlexNet是以论文第一作者的名字命名的，该网络的结构，如下图所示，该网络的输出层使用了 softmax 函数。AlexNet网络比LeNet网络规模更大，大约有6000万个参数，用于训练图像和数据集时，能够处理非常相似的基本构造模块，这些模块中包含着大量的隐藏单元，并且与LeNet网络不同的是，该网络使用了ReLu的激活函数。

VGG-16网络没有太多的超参数，这是一种专注于构建卷积层的简单网络。如下图所示，该网络首先利用64个过滤器进行了两次卷积，接着在池化层将输入图像压缩，接着又是128个过滤器进行两次卷积，接着载池化。继续用256个过滤器进行3次卷积，再池化，接着再利用512个过滤器卷积3次，再池化，将稍后得到的特征图进行全连接操作，再进 softmax 激活。

由于存在梯度消失和梯度爆炸的原因，深层次的神经网络是很难训练的，如果采用一种跳跃连接的方式，即从某一层网络层获取激活，然后迅速反馈给另外一层，甚至是神经网络的更深层。这种利用跳跃连接构建的深度神经网络ResNets，深度能够超过100层

一个简单的两层神经网络示例，如下图所示：

常规的输出和输出之间的关系可以用如下的公式表示：

如上公式所述，这是一条神经网络的主路径。如果将 的输入直接到深层的激活函数之前，此时，神经网络有了一条副路径，其对应输出将有公式（5）变成如下所示的公式（6）

此时的输入除了原先的输入 外，多了一个 项，即由于 产生了一个残差块。

构建一个ResNet网络就是将很多这样的残差块堆积在一起，形成一个深度神经网络，如下所示：

使用传统的标准优化算法训练一个网络，随着网络深度的增加，训练误差会先减小再增加，随着网络层数的增加，优化算法会越难以训练，训练误差也会越来越多。但是，使用ResNet网络，能够有效地避免这种情况。

如上所述，加入残差网络之后，其输出计算公式如公式（6）所示，展开这个公式，则有：

如果使用L2正则化或者权重衰减，则会压缩权重参数 的值，如果参数 和参数 等于0，其输出将由公式（7）变成 ，假定使用ReLU激活函数，则有：

由于残差网络存在的这种跳跃连接，很容易得出以上等式，这意味着，即使给神经网络增加两层，但是其效率并不逊色与更简单的神经网络。并且由于存在以上恒等式，使得网络学习隐藏层的单元的信息更加容易。而普通网络，随着网络层数的增加，学习参数会变得很困难。

此外，关于残差网络，如公式（6）所示，假设 与 具有相同的维度，由于ResNets使用了许多same卷积， 的维度等于输出层的维度。如果输入和输出具有不同的维度，可以再增加一个矩阵 ，使得 和 具有相同的维度。而 的维度可以通过0值填充调节。

在卷积网络的架构设计中，一种有趣的想法是会使用到1×1的过滤矩阵，实际上，对于单通道的图像而言，1×1的过滤矩阵，意义不大，但是，对于多通道的图像而言，1×1的过滤矩阵能够有效减少图像卷积之后的通道数量。

根据卷积和池化的基本知识，随着神经网络层数的增加，图像的通道数量会逐渐增加，采用1×1的过滤矩阵卷积之后，可以有效减少图像的通道数量，一个简单的示例，如下所示：

假设有一个6×6×32的图片，使用1×1×32的过滤矩阵进行卷积运算，整个运算过程将会遍历36个单元格，并计算过滤矩阵所覆盖区域的元素积之和，将其应用到ReLu非线性函数，会得到一个输出值。此计算过程中，可能会用到多个1×1×32的过滤器，那么，通过以上计算会得到一个 6×6×过滤器数量 的矩阵。

构建卷积神经网络时，有时会很难决定过滤器的大小，而Inception网络的引入，却能很好的解决这个问题。

Inception网络的作用就是代替人工确定选择卷积层的过滤器类型。如下图所示，对于一个多通道图像，可以使用不同的过滤矩阵或者池化层，得到不同的输出，将这些输出堆积起来。

有了如上图所示的Inception块，最终输出为32+32+64+128=256，而Inception模块的输入为28×28×192，其整个计算成本，以5×5的过滤矩阵为例，其乘法的计算次数为：28×28×32×5×5×192，整个计算次数超过了1.2亿次。而如果使用如下所示的优化计算方法，则可以有效减少计算量。

如果利用1×1的过滤器，将输入矩阵的通道减少至16，则可以有效减少计算量，如下所示：

如上图所示的价格中，整个网络的运算次数为：28×28×192×16+28×28×32×5×5×16=1240万，整个计算成本降低至原来的十分之一。而，通过1×1×192过滤器卷积得到的这个网络层被称之为瓶颈层。

如上，所示，可以给每一个非1×1的卷积层之前，加入一个1×1的瓶颈层，就可以构建一个基本的inception模块了，如下图所示：

而一个inception网络就是多个Inception模块连接起来，如下图所示：

事实上，以上网络中，还存在一些分支，如编号1所示，这些分支就是全连接层，而全连接层之后就是一个softmax层用于预测。又如分支2所示，包含一些隐藏层（编号3），通过全连接层和softmax进行预测。这些分支结构能够确保，即使是隐藏层和中间层也参与了特征计算，并且也能够预测图片的分类。这种做法能够有效避免网络过拟合。

对于计算机视觉领域而言，神经网络的训练可能需要大量的数据，但是当数据量有限时，可以通过数据增强来实现数据量的扩充，以提高系统的鲁棒性，具体的数据增强方法如下所示：

除了以上三种数据增强的方法外，更多的数据增强方法和实现可以参考 图像数据增强

数据增强可以利用计算机多线程实现，一个线程用来实现加载数据，实现数据增强，其他线程可以训练这些数据以加快整体的运算速度。

‘肆’ ResNet网络

ResNet (Resial Neural Network，残差网络)由微软研究院何凯明等人提出的，通过在深度神经网络中加入残差单元（Resial Unit）使得训练深度比以前更加高效。ResNet在2015年的ILSVRC比赛中夺得冠军，ResNet的结构可以极快的加速超深神经网络的训练，模型准确率也有非常大的提升。

在ResNet之前，瑞士教授Schimidhuber提出了Highway Network，其原理与ResNet非常相似。通常认为神经网络的深度对其性能非常重要，但是网络越深训练越困难，Highway Network的目标就是解决极深的神经网络难以训练的问题。

Highway Network相当于修改了每一层激活函数，此前激活函数只是对输入做一次非线性变换y=H(x, Wh), 而Highway Network则允许保留一部分比例的原始输入x，即y=H(x, Wh)* T(x , Wt)+x*C(x, Wc)，其中T为变换系数，C为保留系数，论文中令C=1-T。这样前面一层的信息，有一定比例可以不经过矩阵乘法和非线性变换，直接传输到下一层，仿佛一条信息高速公路，因此得名Highway Network。

结果显示，B比A略好，这是因为A中的零填充确实没有残差学习。而C比B稍好，这是由于投影快捷连接引入了额外参数。但A、B、C之间的细微差异表明投影连接对于解决退化问题不是至关重要的，而不/少使用投影连接可以减少内存/时间复杂性和模型大小。而且无参数恒等快捷连接对于瓶颈架构（3层残差学习单元）尤为重要，因为瓶颈架构中层具有较小的输入输出，快捷连接是连接到两个高维端，此时恒等快捷连接无需参数，而使用投影的话则会显示时间和模型复杂度加倍。因此，恒等快捷连接可以为瓶颈设计得到更有效的模型。

最后，作者尝试了更深的1000层以上的神经网络，发现神经网络仍然能够较好的学习，但是其测试误差比100多层的残差网络要差，而训练误差则与100多层的残差网络相似，作者认为这可能是由于过拟合导致的，可通过加大正则化来解决这一问题。

在ResNet V1中，作者研究通过加入残差单元使得训练深度达到上百层的神经网络成为可能，解决了梯度消失/爆炸的问题。而在ResNet V2中作者进一步证明了恒等映射（Identity mapping）的重要性。同时作者还提出了一种新的残差单元（采用了预激活）使得训练变得更简单，同时还提高了模型的泛化能力。

在ResNet V2中，作者提出了不止在残差单元内部，而是在整个神经网络中都创建了‘直接’的计算传播路径。在ResNet V1中，残差学习单元的

上式同样表明了在一个mini-batch中不可能出现梯度消失的现象，因为上式求导的第二部分对于一个mini-batch来说，不可能所有样本其导数都为-1，因此，可能会出现权重很小的情况，但是不会出现梯度消失的情况。

通过研究这些不同的快捷连接，作者发现大部分快捷连接方式无法很好地收敛，其中很大部分是由于使用这些快捷连接后或多或少会出现梯度消失或者梯度爆炸的现象，最后结果显示恒等映射效果最好。

虽然恒等映射在这些方法中表写结果最好，仍需引起注意的是1×1的卷积捷径连接引入了更多的参数，本应该比恒等捷径连接具有更加强大的表达能力。事实上，shortcut-only gating 和1×1的卷积涵盖了恒等捷径连接的解空间(即，他们能够以恒等捷径连接的形式进行优化)。然而，它们的训练误差比恒等捷径连接的训练误差要高得多，这表明了这些模型退化问题的原因是优化问题，而不是表达能力的问题。

在上图b中，采用先加后BN再激活的方法，此时f(x)就包含了BN和ReLU。这样的结果比原始a要差。这主要是因为BN层改变了流经快捷连接的信号，阻碍了信息的传递。

在c中，ReLU在相加之前，此时f(x)=x，为恒等映射。此时残差单元中的F(x)输出经由ReLU后变为非负，然而一个“残差”函数的输出应该是(−∞,+∞) 的。造成的结果就是，前向传递的信号是单调递增的。这会影响表达能力，结果也变得更差了。

结果显示，只使用ReLU预激活（d）的结果与原始ResNet结果很接近，这个与ReLU层不与BN层连接使用，因此无法获得BN所带来的好处。而当BN和ReLU都使用在预激活上时（e），结果得到了可观的提升。

预激活的影响有两个方面：第一，由于f(x)也是恒等映射，相比于V1优化变得更加简单；第二，在预激活中使用BN能提高模型的正则化。

对于f(x)为恒等映射的好处：一方面若使用f= ReLU，如果信号是负的时候会造成一定的影响，无法传递有用的负信号，而当残差单元很多时，这个影响将会变得尤为突出；另一方面当f是一个恒等映射时，信号在两个单元间能够很直接的传递。

在ResNet V1中作者提出了残差学习单元，并从理论和实验上证明使用直连的shortcuts有助于解决深度达到上百层的神经网络的训练问题。而在ResNet V2中作者证明了在shortcuts中使用直接映射（即H(x) = h(x) + F(x)中h(x) = x）得到的效果最好。在ResNext中作者将bottleneck拆分成多个分支，提出了神经网络中的第三个维度（另外两个维度分别为depth，神经网络层数深度，width，宽度，channel数），命名为 Cardinality ，并在多个数据集中证明了将bottleneck拆分能够降低训练错误率和提高准确率。

ResNext的灵感来源于VGG/ResNet和Inception：（1）在VGG、ResNet中，作者使用了相同结构的卷积层进行了堆叠，构建了层数很深但是结构简单的神经网络；（2）而在Inception中，提出了一种叫做 split-transform-merge 的策略，将输入（采用1x1 卷积核）分裂为几个低维 embedding，再经过一系列特定卷积层的变换，最后连接在一起。

而在ResNet中，作者将原ResNet bottleneck中的一条path拆分为多个分支（multi branch），以此分支数量提出神经网络中的第三个重要维度——Cardinality。这一想法结合了VGG中的相同结构堆叠和Inception中的split-transform-merge策略，即如上图所示，每个bottleneck 拆分为多个分支进行堆叠，这些分支的结构相同（这里借鉴了VGG的思想），而具体到分支的结构时又采用了Inception的split-transform-merge策略。与Inception不同的是Inception的每个分支结构都是需要认为的设计，而在ResNext中每个分支结构都相同。最终每个bottleneck的输出就变成了：

这些所有的bottlenecks结构都遵循两个原则：

作者提出了 三种效果相同的ResNext的表示方法，如下图所示：

其中a,b 结构相似，只是在merge这一步的地方不同，而c则借鉴了AlexNet中分组卷积的思想，将输入和输出都分为多个组。

作者首先评估权衡了cardinality和width的关系。

接着，作者又评估了使用增加cardinality和depth/width来增加模型复杂度后的效果：

最后，作者还研究了shortcuts对于ResNext的重要性，在ResNet-50中，不使用shortcuts准确率下降了7%，而在ResNext-50中准确率也下降了4%，说明shortcuts对于残差网络来说确实是非常重要的。

简言之，增加cardinality比增加depth和width效果要好，同时，shortcuts对于模型的准确率也是至关重要的。

参考：
Deep Resial Learning for Image Recognition.
Aggregated Resial Transformations for Deep Neural Networks.
Identity Mappings in Deep Resial Networks.
ResNet论文翻译——中文版
Identity Mappings in Deep Resial Networks（译）
TensorFlow实现经典卷积网络. 黄文坚，唐源