基于卷积神经网络的图像分类模型综述*

2023-10-07郭庆梅于恒力王中训刘宁波

电子技术应用 2023年9期

郭庆梅，于恒力，王中训，刘宁波

（1.烟台大学物理与电子信息学院，山东烟台 264005；2.海军航空大学信息融合研究所，山东烟台 264001）

0 引言

卷积神经网络（Convolutional Neural Networks,CNN）[1]是一种深度学习模型，主要应用于图像和视频等数据的识别与分类。2012 年Alex Krizhevsky 等人[2]在ImageNet 大赛中使用CNN 大幅度超越传统方法，CNN 一跃成为计算机视觉领域的热门技术。其具有表征学习能力、泛化能力以及平移不变性，可以高效处理大规模图像且能够转换成图像结构的数据，解决了传统方法需手动提取特征带来的耗时、准确率低等问题，加之计算机性能有了很大的提升[3]，使得CNN 得到了质的发展，因此在图像分类、目标识别以及医疗诊断等领域被广泛应用[4]，且取得了显著的成就。

1 卷积神经网络常用模型

CNN 的结构一般由卷积层、池化层、全连接层和激活层组成。卷积层由多个卷积核和对应的偏移值组成，通过卷积核与输入的图像进行卷积操作来提取特征[5]，池化层的本质是下采样，从而减少参数量，降低过拟合的风险，其非线性池化函数有最大池化和平均池化等，特点是不改变神经网络深度，只改变其大小，减少最后全连接层中节点的数量；全连接层的主要功能是将卷积层和池化层提取到的特征进行整合[6]，构建出高层次的特征表示，从而使模型能够更好地进行分类、识别等任务；激活层的作用是增加模型的非线性特征，提高其拟合能力和表达能力，使模型可以更好地适应复杂的数据分布，常用的激活函数有Sigmoid、Tanh、ReLU、Leaky ReLU 和SELU 等。常见的卷积神经网络模型如图1所示。

图1 常见的卷积神经网络模型发展时间轴

1.1 LeNet 模型

LeCun 等人[7]在1994 年提出LeNet 模型，经过多次改进，于1998 年发布LeNet-5，主要是用于手写字符和英文字符的识别与分类，利用二维卷积进行图像处理，奠定了现代CNN 的基础。该模型能够做到卷积核共享，减少网络参数，但是限于当时硬件性能低和数据集不够丰富等原因，导致其不适合处理复杂问题。

1.2 AlexNet 模型

Krizhevsky 等人[2]在2012 年提出了AlexNet 模型，该模型在ILSVRC 2012 竞赛中折桂，分类准确率达到了80%以上，极大地促进了深度学习的快速发展。主要特点是通过使用GPU 来提高网络训练速度；采用ReLU 激活函数来缓解梯度消失[8]的问题；引入局部响应归一化来改善局部的对比度，提高其泛化能力以及准确率；使用随机失活来减少过拟合；使用重叠最大池化来提高特征的丰富性。该模型存在的缺点是卷积层不够深，去掉任何一个卷积层，效果都会变差。

1.3 ZFNet 模型

Zeiler 等人[9]在2013 年对AlexNet 进行改进提出了ZFNet 模型，此模型使用反卷积网络[10]来对AlexNet 达到特征可视化的目的，清晰展示CNN 中间层和全连接层学习到的特征，是CNN 领域对模型可视化的开山之作。明确得出特征之间有层次性，随着网络层数的不断加深，其特征不变性越强，类别的判别能力越强。同时调整模型超参数，即将第一个卷积层的卷积核大小缩小为7×7、步长调整为2，提高采样频率，解决了AlexNet 第2 层会出现信号混叠现象的问题，增强了特征提取能力。通过进行遮挡图像局部的实验，明确分类任务中哪部分输入信息更重要。

1.4 VGGNet 模型

Simonyan 等人[11]在2014 年提出了主要用于大规模图像识别的VGGNet 模型，该模型通过增加网络结构来提升性能，具有良好的迁移学习能力；使用3×3 的小卷积核代替其他大尺寸的卷积核，在具有相同感受野[12]的情况下，降低了参数量，提高了特征的学习能力；使用小尺寸的池化核来增加通道数。该模型存在的缺点是参数量大，耗费存储空间资源。

1.5 GoogLeNet 系列模型

针对VGGNet 参数量大的问题，并为了达到提升深度神经网络性能的目的，Szegedy 等人[13]在2014 年提出了GoogLeNet 模型。加入了Inception 结构，将不同尺度的特征信息进行融合，提高网络性能和效率。初始Inception 结构如图2(a)所示，通过实验得出结构中的5×5卷积会造成参数量过大的问题，进行改进提出了InceptionV1，结构图如图2(b)所示，添加了1×1 卷积核进行降维，降低了计算量；添加了两个辅助分类器，结构图如图3 所示，避免了梯度消失和过拟合问题；使用平均池化层来减少模型参数。该模型存在的缺点是最后一层卷积层的计算量大。

图2 Inception 模块

图3 辅助分类器

Szegedy 等人[14]在2015 年对Inception 结构提出了一些优化方法并发布了InceptionV2 模型，用2 个3×3 的卷积核代替1 个5×5 卷积核，1×n卷积核和n×1 卷积核代替n×n卷积核，以此来减少参数量、增加特征信息的判别性；使用并行结构来优化池化层来降低计算量；通过对标签的概率分布进行平滑处理来减少过度拟合。在此基础上，在辅助分类器中加入了批归一化（Batch Normalization,BN），构成了InceptionV3[15]模型的结构；在InceptionV3 的基础上，增加Inception block 的个数，形成了InceptionV4[16]模型；在InceptionV3 的基础上添加ResNet[17]结构，形成了Inception-ResNet-V1[16]模型；在InceptionV4 的基础上添加ResNet 结构，形成了Inception-ResNet-V2[16]模型；在InceptionV3 的基础上用深度可分离卷积（Depthwise Separable Convolution,DSC）进行卷积操作，形成了Xception[18]模型，该模型主要目的是提高性能。

1.6 ResNet 系列模型

为了解决梯度消失、梯度爆炸[19]和退化等问题，He等人在2015 年提出了残差神经网络（ResNet）模型，并在当年的比赛中折桂。该模型对此前已有的网络进行了大创新，将网络结构拓展到了1 000 层，在性能上有了很大的提升；提出了捷径分支连接来解决梯度消失问题；提出了残差模块，如图4 所示，降低了参数量；使用BN加快了收敛速度，有一定的正则化作用。该模型存在的缺点是训练需要的时间比较长。

图4 ResNet 残差模块

Xie 等人[20]在2017 年将ResNet 模型和Inception 模型进行结合提出了ResNeXt 模型，使用分组卷积，通过变量基数和使用平行堆叠相同拓扑结构，如图5 所示（group 设置成32 时错误率最低），提高了准确率，由于其分支的拓扑结构相同，降低了参数量。

图5 ResNeXt 残差结构

1.7 SqueezeNet 系列模型

Iandola 等人[21]在2016 年提出了SqueezeNet 模型，实现了在保证相同准确率的情况下降低参数量获得更小的CNN 架构，使用模型压缩技术后，模型进一步大幅减小，但是该模型的实时性不好。Fire 模块如图6 所示，squeeze 层限制输入通道数量，显著减少参数量，expand层生成更高级别的特征。设计了普通版SqueezeNet 模型，还设计了包含简单支路的SqueezeNet 模型和包含复杂支路的SqueezeNet 模型。

图6 Fire 模块

Gholami 等人[22]在2018 年对SqueezeNet 进行改进提出了SqueezeNext 模型，此模型是通过加深和加宽网络来提升网络性能的。Block 部分如图7 所示，有三个贡献点：（1）用1×n和n×1 的卷积核替换原来n×n的卷积核，降低了参数量；（2）设计瓶颈模块，使通道数减半；（3）最后一层卷积层使用1×1 的卷积核，进行通道数压缩，降低全连接层的输入维度，减少了参数量，提高了泛化能力。

图7 SqueezeNext 模块

1.8 DenseNet 系列模型

Huang 等人[23]在2017 年提出了DenseNet 模型，采用密集连接方式，如图8 所示，有利于特征信息被充分利用，通过特征在通道上的连接来实现特征复用，是使用的concat，这些方法使得其降低了参数量、提高了泛化能力、有很好的抗过拟合性能。同时，该模型也存在一些不足，比如需要非常大的存储空间、计算复杂度大、现有的深度学习框架不能很好地支持此模型。

图8 DenseNet 模型的密集连接机

针对DenseNet 模型冗余度高等问题，该作者又提出了计算效率更高且参数更少的CondenseNet 模型[24]，该模型将密集连接思想和可学习分组卷积模块进行了融合，效果显著。

1.9 PolyNet 模型

Zhang 等人[25]参考Inception-ResNet 的思想在2017年提出了PolyNet 模型，从多项式的角度对残差块和Inception-ResNet 进行了扩展，同时在训练时使用插入初始化策略，将新加入的随机初始化的模块交叉地插入到已有模型中，效果明显，使用基于集成思想的随机路径和加权路径，用实验结论证明了提高模型准确率的方法不仅仅是增加深度和宽度，还可以增强模型的多样性。

1.10 DPN 模型

Chen 等人[26]提取ResNeXt 与DenseNet 模型的优点并在2017 年提出了DPN（Dual Path Network）模型，使得该模型能够有效地进行特征复用，也能探索新的特征，在图像分类方面有着很高的准确率，DPN-98 模型参数量比ResNeXt-101 少26%，DPN-98 比ResNeXt-101 少消耗约25%的FLOP。

1.11 MobileNet 系列模型

针对传统卷积网络运算量大，无法在移动设备和嵌入式设备上运行的问题[27]，Howard 等人[28]在2017 年提出了一个轻量级的网络模型，即MobileNetV1 模型。该模型使用了DSC，由深度卷积（Depthwise Convolution,DWC）和逐点卷积（Pointwise Convolution,PWC）组成，其中深度卷积的卷积核通道数为1，输入特征矩阵通道数等于卷积核个数等于输出特征矩阵通道数，逐点卷积的卷积核的大小为1×1，卷积核通道数等于输入特征矩阵通道数，输出特征矩阵通道数等于卷积核个数[29]，同时引入了两个收缩超参数：宽度乘子和分辨率乘子，降低了计算量，减小了体积，提高了精确度。该模型存在的缺点是该模型性价比低，训练过程中很多卷积核参数为0。

针对MobileNetV1 出现的问题，Sandler 等人[30]在2018 年提出了MobileNetV2 模型，该模型使用了倒残差结构和线性瓶颈结构。倒残差结构先使用1 × 1 卷积进行升维，加深通道，获得更多的特征信息，再使用3×3 DWC 进行卷积操作，最后使用1×1 卷积进行降维，降低了参数量。如图9 所示，stride=1 和stride=2 时的block 结构，使用捷径分支的条件是stride=1 且输入特征矩阵与输出特征矩阵尺寸相同[31]。线性瓶颈结构时将1×1 卷积后的ReLU6 替换为线性激活函数Linear，解决了卷积核参数为0 的问题，保证了模型的表达能力。该模型存在的缺点是丢失了层与层之间的多样性，不能保证准确性。

图9 MobileNetV2 模型的block 结构

针对MobileNetV2 出现的问题，Howard 等人[32]在2019 年提出了MobileNetV3 模型，该模型在block 部分加入了注意力机制模块并更新了激活函数，注意力机制的操作步骤：将得到的特征矩阵的每一个通道进行池化操作，特征矩阵的通道数等于得到的一维向量的元素数，通过两个全连接层，第一个全连接层的节点数等于输入特征矩阵通道数的1/4，第二个全连接层的节点数等于特征矩阵通道数，计算出通道权重关系，重要的通道维度将被给予更大的权重，而不重要的通道维度将被给予较小的权重[33]，进而提高模型的性能。激活函数部分是将Sigmoid 和Swish 激活函数替换成Hard-sigmoid和Hard-swish 激活函数。使用捷径分支的条件与MobileNetV2 模型一样，条件为stride 为1 且输入特征矩阵与输出特征矩阵尺寸相同。使用了神经结构搜索参数（Neural Architecture Search,NAS），修改了Last Stage 结构，节约了运行时间。该模型存在的缺点是训练难度高，对于一些细粒度分类的任务效果可能不佳。

1.12 ShuffleNet 系列模型

对于普通卷积中组与组之间没有信息交流问题，Zhang 等人[34]在2018 年提出了具有逐点群卷积和通道重排的ShuffleNetV1 模型。通过通道重排，能够使组与组之间进行特征通道信息交流，同时发挥了分组卷积的优点。在此模型中，使用的卷积为1 × 1GConv 和DWConv，模型的block 如图10 所示，(a)是具有逐点群卷积和通道重排的ShuffleNet 单元，使用add 操作，(b)是stride=2 时的block，使用concat 操作。

图10 ShuffleNetV1 模型的block 结构

Ma 等人[35]在2018 年对ShuffleNetV1 和Mobile-NetV2 模型进行总结提出了ShuffleNetV2 模型。以往衡量模型速度的指标是FLOPs，本文又添加了内存访问代价（Memory Access Cost,MAC）和GPU 并行程度两个指标；对于轻量级的CNN，给出了四条实践结论：可使用相同输入输出维度的卷积来减少MAC、过量使用组卷积会增加MAC、网络碎片化会降低并行度以及不能忽略元素级操作[36]。该模型中提出了新的block，均使用concat 操作，如图11 所示，（a）是基本的ShuffleNetV2 单元，使用Channel Split 操作将通道数拆分成两部分，（b）是ShuffleNetV2 空间下采样单元。

图11 ShuffleNetV2 模型的block 结构

1.13 MnasNet 模型

为了能设计出更加适合移动端的卷积网络，Tan 等人[37]在2019 年提出了重视推测速度和准确率的Mnas-Net 模型，该模型使用分解式层次搜索空间，并且通过移动设备来得出延迟，提高了网络架构的性能和效率。

1.14 EfficientNet 系列模型

Tan 等人[38]对网络结构的操作层个数、通道数和输入图片的分辨率进行综合研究并在2019 年提出了EfficientNetV1 模型，EfficientNet-B7 在Imagenet top-1 上准确率达到了84.3%，与GPipe[39]相比，参数量为其1/8.4，推理速度提升了6.1 倍。该模型存在的缺点有：（1）当图像很大时，速度会很慢；（2）使用DW 卷积会降低速度；（3）同等缩放stage 不合理。

针对这些问题，又提出了能够平衡参数量和速度的EfficientNetV2[40]模型，该模型引入了Fused-MBConv 到搜索空间中，以实现更高效的特征提取和参数共享，同时引入了自适应正则强度调整机制来支持渐进式学习，使得模型的性能和效率都大幅提升。