图像分类是计算机视觉领域的基础任务，旨在通过算法自动识别图像中包含的目标类别。卷积神经网络（CNN）凭借其强大的特征提取能力，已成为图像分类的主流方法。本文将详细介绍CNN用于图像分类的原理、典型网络架构及实践要点。
1. 图像分类基础
1.1. 任务定义
图像分类是指给定一张输入图像，通过算法判断该图像属于预定义类别集合中的哪一类。从数学角度看，图像分类可视为一个映射函数：
\[f: I \rightarrow C\]其中，$I$ 表示输入图像（通常表示为像素值矩阵），$C$ 表示类别集合（如 {猫, 狗, 汽车, …}）。
根据类别数量可分为：
- 二分类：仅有两个类别（如猫/狗分类）
- 多分类：三个及以上类别（如ImageNet的1000类分类）
- 多标签分类：图像可同时属于多个类别（如一张图片中同时包含猫和狗）
实际上，网络（模型）对输入图像进行预测时，会返回一个概率向量，该向量中包含所有类别的概率。我们必须要指定一个阈值，将概率向量中的概率映射为二分类结果。这个阈值被称为「置信度阈值」（Threhold）。置信度阈值决定了如何将概率转化为类别标签。
一般而言，概率大于阈值的样本为正例，小于阈值的样本为负例。
1.2. 性能指标
评估图像分类模型性能的核心指标包括：
1.2.1. 准确率
准确率（Accuracy） 是最朴素的性能指标，计算公式为：
\[\text{Accuracy} = \frac{\text{正确分类的样本数}}{\text{总样本数}}\]1.2.2. 混淆矩阵
以二分类为例，样本的真实标签包括两个类别：「正」和「负」，同样网络预测的类别也有两个类别：「正」和「负」。按照这两个维度可以形成四种情况，列表如下：
| 真实值 | 真实值 | ||
|---|---|---|---|
| 正 | 负 | ||
| 预测值 | 正/P | （真正例）TP | （假正例）FP |
| 预测值 | 负/N | （假负例）FN | （真负例）TN |
上面的表格就是 混淆矩阵（Confusion Matrix），其展示各类别间的分类错误分布。
一个小技巧：所有的第二个大写英文字母（Positive 或者 Negative）都是预测的结果，再根据预测是否正确确定第一个英文字幕是 True 还是 False。
思考：混淆矩阵可以有多少个？
假设阈值为 $0.5$，即预测概率大于 $0.5$ 的样本被判定为「正」，否则为「负」，此时可以得到一个混淆矩阵。如下图所示，对于一批 $8$ 张图片，判断其是否为汉堡，结果如下可以得到图中的混淆矩阵。
类似地，完全可以设置阈值为更加严格的 $0.75$，此时可以得到另一个混淆矩阵。以此类推，连续地将阈值从比如 $0.01$ 一直递增，直到 $0.99$，可以得到许许多多个混淆矩阵。
这导致直接使用混淆矩阵来评估模型性能比较麻烦。因此引入第二个问题：能否把所有混淆矩阵表示在同一个二维空间呢？ 这需要借助后面介绍的两个特殊性能指标：精确率（Precision）与召回率（Recall）。
1.2.3. 精确率与召回率
在混淆矩阵的基础上，我们分别讨论两种特殊的性能指标，即精确率和召回率。
-
精确率 / 查准率（Precision）：
当我们关心，所有「预测为正」的样本中，有多少比例的样本是「真实的正」样本时，可定义精确率指标如下：
\[\text{Precision} = \frac{\text{真正例（TP）}}{\text{真正例（TP）+ 假正例（FP）}}\]对应混淆矩阵中：
真实值 真实值 正 负 预测值 正/P （真正例）TP （假正例）FP 预测值 负/N （假负例）FN （真负例）TN 精确率越高，意味着预测值中正样本预测的越准。
-
召回率 / 查全率（Recall）：
类似地，如果我们反向思考，关心所有「真实的正」样本中，有多少样本被模型「预测为正」，此时得到召回率指标如下：
\[\text{Recall} = \frac{\text{真正例（TP）}}{\text{真正例（TP）+ 假负例（FN）}}\]对应混淆矩阵中：
真实值 真实值 正 负 预测值 正/P （真正例）TP （假正例）FP 预测值 负/N （假负例）FN （真负例）TN 召回率越高，意味着所有「真实的正」的样本中，有越多的样本被网络（模型）给正确预测出来。
下面讨论置信度阈值与上述两个指标的关系。
提高置信度阈值（Threshold），模型变得更“保守”，只有非常确定的样本才被预测为正例。这会导致：
- 精确率上升（因为FP减少）
- 召回率下降（因为一些正例因为不够确定而被漏掉，FN增加）
降低置信度阈值，模型变得更“激进”，更多样本被预测为正例。这会导致：
- 召回率上升（因为FN减少）
- 精确率下降（因为FP增加）
所以置信度阈值是权衡精确率和召回率的关键因素。下一节我们专门讨论置信度阈值的影响和一个新的性能指标：PR 曲线。
1.2.4. PR 曲线
PR 曲线（Precision-Recall Curve）是不同阈值下 Precision 与 Recall 的关系曲线：
- 横轴：Recall（召回率）
- 纵轴：Precision（精确率）
- 绘制方法：遍历所有可能的阈值，计算对应 Precision 和 Recall，连接成曲线。通常可以对所有样本进行排序，再逐个样本的选择阈值，在该样本之前的都属于正例，该样本之后的都属于负例。
下面给出了一个 PR 曲线的实例：
下面分析 PR 曲线的一些特点：
-
当阈值为 $0$ 时，模型将所有样本都预测为正例，此时召回率为 $100\%$，精确率与样本集中正负样本的比例有关，等于正样本所占的比例，PR 曲线会从右侧某个点开始。一般 PR 曲线不会经过 $(1,0)$ 点，除非正样本占比十分少。
- 当阈值为 $1$ 时，
-
首先考虑理想情况，即对所有「真实为正」的样本的预测概率（网络输出）都为 $100\%$，此时精确率和召回率均为 $1$，PR 曲线会经过（右上角） $(1,1)$ 点。
-
其次考虑实际情况，即对所有「真实为正」的样本的预测概率（网络输出）肯定到不了 $100\%$，此时精确率为 $0$，召回率自然也为 $0$（没有一个真正的真样本被预测对），曲线抵达（左下角） $(0,0)$ 点的下方。
-
随着阈值从 $1$ 逐渐开始降低，总会有个一个预测概率最高的样本（一般而言也是预测正确的）高于了设定的阈值，此时精确率为 $1$；召回率很小，因为绝大部分正样本都被很高的阈值给挡住，错判成了负样本了。所以曲线会从（左下角） $(0,0)$ 点瞬间跳变到接近（左上角）$(0,1)$ 点。
-
- 随着阈值继续降低，
- 召回率非递减（递增或不变），因为随着阈值的降低，正例的判定更宽松，更多的真正的正例被正确识别（FN 变少）；
- 精确率的整体趋势是降低的，但不是严格非递增，而是会存在震荡，因为虽然正例被判为正例的变多，但负例被判为正例的也变多了。
- 一个特殊情况：如果样本数据很简单、网络（模型）训练的很好，导致存在一个阈值可以完全区分正例和负例，此时 PR 曲线覆盖的面积就是整个矩形空间。
总结：P-R曲线应该是从 $(0,0)$ 开始画的一条曲线，切割 $1\times 1$ 的正方形，得到一块区域。
如何通过 PR 曲线比较两个不同的模型性能呢？曲线越靠近右上角（即曲线下方的面积越大），模型的性能就越好。
观察下图，有两种判别方式：
- 基于包裹的判别方式：如果一条 PR 曲线完全包裹另外一条 PR 曲线，则该 PR 曲线对应的网络（模型）性能更好；
- A 完全包裹 C，则 A 模型性能更好
- B 完全包裹 C，则 B 模型性能更好
- A 和 B 之间相互有重叠，无法判断哪个模型性能更好
- 基于平衡点（Break-Even Point, BEP）的判别方式：连接左下角和右上角两个顶点，与 PR 曲线的交点称为平衡点。平衡点是 Precision（查准率）和 Recall（查全率）相等时的点。这个点提供了一个综合考量查准率和查全率的性能度量，因为在平衡点上，两个指标达到相同的数值，从而为分类器性能评估提供了一个直观的参考点。平衡点的值越大，则模型性能更好；
- A 模型性能更好
- B 模型性能居中
- C 模型性能最差
1.2.5. F1 分数
注意到，Precision 和 Recall 是相互制约的两个指标，且需要对阈值进行遍历才能完成绘制。有时候我们不想绘制繁琐的 PR 曲线，而是希望直接比较给定阈值下的模型性能，此时可以采取一个新的指标：F1 分数（F1 score）。
$F1$分数 是对精确率和召回率的调和平均，其计算公式如下：
\[F1 = 2 \times \frac{\text{Precision} \times \text{Recall}}{\text{Precision} + \text{Recall}}\]如果对查准率和查全率有不同的偏好，可以使用改进的 $F_\beta$ 分数：
\[F_\beta = \frac{(1 + \beta^2) \times \text{Precision} \times \text{Recall}}{\beta^2 \times \text{Precision} + \text{Recall}}\]当 $\beta>1$ 时，对召回率（查全率）偏好较大，反之对精确率（查准率）更偏好。
1.2.6. FPR 和 TPR
和 Precision / Recall 类似，我们还可以定义另外一组性能指标：
-
FPR（False Positive Rate，假阳率）：在所有实际为负例的样本中，被网络（模型）错误预测为正例的概率：
\[FPR = \frac{FP}{FP + TN}\]对应混淆矩阵中：
真实值 真实值 正 负 预测值 正/P （真正例）TP （假正例）FP 预测值 负/N （假负例）FN （真负例）TN -
TPR（True Positive Rate，真阳率 = 查全率 / 召回率）：在所有实际为正例的样本中，被网络（模型）正确预测为正例的概率。
类似于 PR 曲线，采用 FPR 和 TPR 也可以定义一个新的曲线：ROC（Receiver Operating Characteristic）曲线。
1.2.7. ROC 曲线
以 FPR 为横轴，TPR 为纵轴，可以定义新的曲线 「ROC（Receiver Operating Characteristic）曲线」。
一般情况下，这个曲线都应该处于 $(0, 0)$ 和 $(1, 1)$ 连线的上方。ROC曲线越接近左上角，模型效果越好。
$(0, 0)$ 和 $(1, 1)$ 连线形成的 ROC 曲线实际上代表的是一个随机分类器。如果ROC曲线位于对角线下方，表明模型结果劣于随机分类。在这种情况下，可以考虑将二分类结果进行互换以改善模型性能。
通过分析ROC曲线下的面积（AUC, Area Under the Curve），可以直接比较不同模型的优劣。AUC越大，模型的分类性能越优越。
与 PR 曲线相比，ROC 曲线也可以用来比较网络（模型）的性能，且有如下结论：如果一个网络（模型）的曲线在 PR 域下更优，那么其在 ROC 域下也更优，反之亦然：
既然如此，为何又要重复定义一个 ROC 曲线呢？因为 ROC 曲线和 PR 曲线在某些场景下的性能评判效果不一样。具体地，在正负样本的分布极为不均的情况下，与 ROC 曲线相比，PR 曲线能更有效地反映模型的整体分类效果。
在实际的数据集中经常会出现类不平衡（class imbalance）现象，即负样本比正样本多很多（或者相反），而且测试数据中的正负样本的分布也可能随着时间变化。下图是 ROC 曲线和 PR 曲线的对比：
其中第一行（a）（b）均为原数据的图，左边为 ROC 曲线，右边为 PR 曲线。第二行（c）（d）为负样本增大 $10$ 倍后俩个曲线的图。可以看出，ROC 曲线基本没有变化，但 PR 曲线确剧烈震荡。因此，在面对正负样本数量不均衡的场景下，ROC 曲线（AUC 的值）会更加稳定。
下面给一个具体的示例，在阈值 $0.5$ 时，几乎所有（$500$ 中的 $493$ 个）样本为负例，网络（模型）对仅有的 $7$ 个正例都预测错误。此时绘制 ROC 曲线和 PR 曲线如下：
可以看出，虽然正例一个都没预测对，但ROC曲线看着依然很好，反观 PR 曲线会很差。因此，如果：
- 不关心负样本占比 / 性能（或数据均衡），优先选 ROC 曲线（AUC）；
- 若关心负样本相关性能（如数据极度不平衡、重视正样本的精确性），优先选 PR 曲线（AUPR）。
1.3. 多分类问题
当我们的任务有 $K$ 个类别时，评估变得复杂。我们有两种主要的平均策略：宏平均 和 微平均。
首先，对于每个类别 $i$，我们都可以将其视为一个「二分类」问题（One-vs-Rest，OvR，类别 $i$ 为正类，其他所有类别为负类），计算出该类别下的 $TP_i$、$FP_i$、$FN_i$、$TN_i$。$K$ 个类别可以得到 $K$ 组二分类器的性能指标 $(TP_i$、$FP_i$、$FN_i$、$TN_i)$ 元组。
- 类别视角：为每个类别分别都构建一个二分类器。也即对于每一组二分类其的性能指标，可以计算查准率、查全率和 $F1$ 分数，然后求平均值，记为宏观指标：
- 样本视角：将每个样本在所有二分类任务中得到的性能指标元组分别相加，视为一个全局的二分类问题。然后计算一个统一的指标，记为微观指标：
最后通过表格来比较：
| 特性 | 宏观平均 | 微观平均 |
|---|---|---|
| 样本量影响 | 平等看待每个类。小类别的性能对最终指标有同等影响力。 | 受大类主导。大类别（样本多）的性能对指标影响大。 |
| 实质 | 衡量的是每个类别的平均性能。 | 衡量的是每个样本的分类是否正确。 |
| 在类别不平衡时的倾向 | 能更好反映小类别的性能。即使大类别全对，一个小类别全错也会拉低宏平均指标。 | 更接近大类别的性能。如果大类别分类得好，微观指标就高。 |
| 使用场景 | 1. 平等重视每一个类别 2. 存在严重类别不平衡且关心小类别 3. 想知道模型在所有类别上的平均表现 |
1. 关心整体模型性能，每个样本权重相同 2. 类别不平衡但小类别不重要 3. 只需要简单“准确率”概念 |
在通过表格来给出不同问题中的选择建议：
| 场景 | 推荐指标 | 理由 |
|---|---|---|
| 医疗诊断（罕见病检测） | 宏观平均 | 罕见病（小类别）的检测至关重要，需要平等关注每个疾病类别 |
| 新闻主题分类（政治类占80%） | 宏观平均 | 需要评估模型对小类别（如科技、体育）的分类能力，避免被政治类主导 |
| 客户流失预测（流失率5%） | 两者结合 | 宏观F1看对小类（流失客户）的识别能力，微观F1看整体准确率 |
| 垃圾邮件过滤（垃圾邮件占10%） | 微观平均 | 更关心整体过滤效果，每个邮件的处理都同等重要 |
| 图像分类（ImageNet） | 宏观平均 | 需要平等评估模型对1000个类别的识别能力，避免被大类主导 |
| 推荐系统CTR预测 | 微观平均 | 每个用户请求同等重要，关心整体预测准确性 |
1.4. 优势与挑战
与传统图像分类方法（手动设计特征+分类器）相比，CNN的端到端学习具有显著优势：
- 无需人工设计特征提取器，特征和分类器联合优化
- 能够自动学习任务相关的判别性特征
- 随着网络加深，可捕捉从低级到高级的多层次特征
- 对数据分布变化具有更好的适应性
图像分类面临的主要挑战包括：
- 类内差异：同一类别的图像在姿态、光照、尺度等方面存在差异
- 类间相似：不同类别的图像可能具有相似的视觉特征
- 背景干扰：复杂背景可能掩盖目标特征
- 样本不平衡：部分类别的样本数量远少于其他类别
- 遮挡（occlusion）：目标被部分遮挡导致特征不完整
- 视角变化：同一目标从不同视角拍摄呈现不同外观
2. 典型CNN图像分类网络
2.1. LeNet-5
LeNet-5 是 Yann LeCun 于 1998 年提出的首个卷积神经网络，主要用于手写数字识别（MNIST 数据集）。
网络结构：
- 输入层：$32 \times 32 \times 1$（灰度图像，归一化）
- C1层：6个 $5 \times 5$ 卷积核，步长1，输出 $28 \times 28 \times 6$
- S2层：$2 \times 2$ 平均池化，步长2，输出 $14 \times 14 \times 6$
- C3层：16个 $5 \times 5$ 卷积核，步长1，输出 $10 \times 10 \times 16$
- S4层：$2 \times 2$ 平均池化，步长2，输出 $5 \times 5 \times 16$
- C5层：120个 $5 \times 5$ 卷积核，输出 $1 \times 1 \times 120$（等效全连接）
- F6层：84个神经元的全连接层
- 输出层：10个神经元（对应10个数字），使用softmax激活
特征图的大小与输入图像尺寸、卷积核尺寸、卷积核个数、移动步长均有关。假设输入图像尺寸为 $N\times N$，卷积核大小为 $F\times F$，卷积核个数为 $M$，移动步长（stride）为 $S$，则经过卷积操作后的特征图大小为
\[\lfloor\frac{N-F}{S}+1 \rfloor \times \lfloor\frac{N-F}{S}+1 \rfloor\times M\]其中 $\lfloor \cdot \rfloor$ 表示向下取整操作。
特点：
- 首次将卷积、池化、全连接结合形成完整网络
- 采用权值共享减少参数量
- 奠定了现代CNN的基本框架
2.2. AlexNet
AlexNet 由 Alex Krizhevsky 等人于 2012 年提出，在 ImageNet 竞赛中大幅超越传统方法，开创了深度学习在计算机视觉的新时代。
网络结构：
- 输入层：$227 \times 227 \times 3$（填充后的 RGB 图像）
- 5个卷积层 + 3个全连接层
- 关键配置：
- 第1层：96个 $11 \times 11$ 卷积核，步长4（卷积后特征图尺寸为 $55\times 55\times 96$，因为 $(227-11)/4+1=55$）
- 第2层：256个 $5 \times 5$ 卷积核，带填充
- 第3-5层：384、384、256个 $3 \times 3$ 卷积核
- 全连接层：4096 → 4096 → 1000（类别数）
考虑偏置加法运算的卷积计算量（FLOPs）如下：
\[FLOPs = H_{out}\times W_{out}\times C_{out}\times 2\times K^2\times C_{in}\]易知，标准卷积的参数量（param）为
\[C_{in}\times K^2\times C_{out}\]
验证计算，第一层参数量和计算量与图中是否一致：
- 参数量：$3\times 11^2\times 96 = 34848\approx 35 K$
- 计算量：$55\times 55\times 96\times 2\times 11^2\times 3 = 210830400\approx 210 M$
验证计算的结果正好是图中结果的两倍。因此，图中虽然标注是 FLOPs，但实际计算量采用的是 MACs（乘加）。
创新点：
- 采用 ReLU 激活函数，解决 sigmoid 的梯度消失问题
- 引入 Dropout（概率0.5）防止过拟合
- 使用重叠池化（步长 < 池化窗口）提升特征提取能力
- 采用数据增强（平移、翻转、裁剪）扩充训练集
- 首次使用 GPU 加速训练
2.3. VGGNet
VGGNet 由牛津大学 VGG 团队于 2014 年提出，以其简洁统一的结构设计闻名。
网络特点：
- 仅使用 $3 \times 3$ 卷积核和 $2 \times 2$ 池化
- 通过增加卷积层数量加深网络（11、13、16、19层）
- 所有卷积层采用 same padding（填充 1），保持特征图尺寸
- 池化层采用 $2 \times 2$ 窗口，步长2，使特征图尺寸减半
VGG-16（D系列）结构：
- 输入：$224 \times 224 \times 3$
思考：最后一层池化层后，到第一个全连接层，是如何连接的？
| 层（Layer） | 类型与参数 | 输出尺寸 (H×W×C) | 参数量（约） | MACs（约，单位 M） |
|---|---|---|---|---|
| Block 1 | Conv 3×3, 64 / ReLU | 224×224×64 | 1,792 | ~173 M |
| Conv 3×3, 64 / ReLU | 224×224×64 | 36,928 | ~173 M | |
| MaxPool 2×2 s2 | 112×112×64 | 0 | - | |
| Block 2 | Conv 3×3, 128 / ReLU | 112×112×128 | 73,856 | ~173 M |
| Conv 3×3, 128 / ReLU | 112×112×128 | 147,584 | ~173 M | |
| MaxPool 2×2 s2 | 56×56×128 | 0 | - | |
| Block 3 | Conv 3×3, 256 / ReLU | 56×56×256 | 295,168 | ~173 M |
| Conv 3×3, 256 / ReLU | 56×56×256 | 590,080 | ~173 M | |
| Conv 3×3, 256 / ReLU | 56×56×256 | 590,080 | ~173 M | |
| MaxPool 2×2 s2 | 28×28×256 | 0 | - | |
| Block 4 | Conv 3×3, 512 / ReLU | 28×28×512 | 1,180,160 | ~173 M |
| Conv 3×3, 512 / ReLU | 28×28×512 | 2,359,808 | ~173 M | |
| Conv 3×3, 512 / ReLU | 28×28×512 | 2,359,808 | ~173 M | |
| MaxPool 2×2 s2 | 14×14×512 | 0 | - | |
| Block 5 | Conv 3×3, 512 / ReLU | 14×14×512 | 2,359,808 | ~86 M |
| Conv 3×3, 512 / ReLU | 14×14×512 | 2,359,808 | ~86 M | |
| Conv 3×3, 512 / ReLU | 14×14×512 | 2,359,808 | ~86 M | |
| MaxPool 2×2 s2 | 7×7×512 | 0 | - | |
| FC 层 | Flatten | 25088 | 0 | - |
| FC 4096 / ReLU | 4096 | 102,764,544 | ~103 M | |
| FC 4096 / ReLU | 4096 | 16,781,312 | ~17 M | |
| FC 1000 (softmax) | 1000 | 4,097,000 | ~4 M | |
| 总计 | 13 Conv + 3 FC + 5 Pool | - | ~138M | ~15.5 G |
优势：
- 结构统一，易于理解和实现
- 小卷积核多次堆叠等效于大卷积核，但参数量更少。小卷积核是 VGG 的一个重要特点，VGG没有采用 AlexNet 中比较大的卷积核尺寸（如 $7\times 7$），而是通过降低卷积核的大小（$3\times 3$），增加卷积子层数来达到同样的性能（VGG：从 1 到 4 卷积子层，AlexNet：1 子层）。
- 特征提取能力强，特征图保留更多细节信息
2.4. GoogLeNet
GoogLeNet 由 Google 团队于 2014 年提出。它在 ILSVRC 2014（ImageNet 大规模视觉识别挑战赛）中取得了第一名，表现优于当时的 AlexNet 和 VGGNet。GoogLeNet 的核心创新在于 Inception 结构,GoogLeNet 通过 Inception 结构 提高特征提取能力，采用更深但高效的网络，使用全局平均池化减少参数，引入辅助分类器促进训练，并以更少的计算量实现优越性能。
2.4.1. Inception 模块
传统的卷积神经网络通常堆叠连续的卷积层。随着网络加深，参数量和计算量急剧增加，且难以确定最优的卷积核尺寸（应该用 $3\times 3$、$5\times 5$ 还是 $7\times 7$？）为此，谷歌提出：”为什么不让网络自己选择？” 至此设计了 Inception 模块，并行使用多种尺寸的卷积核，让网络自适应地学习最佳特征组合。
图中左侧（a）是初始的版本，并行使用不同尺寸的卷积核（$1\times 1$、$3\times 3$、$5\times 5$）和池化操作，最后在通道维度进行拼接得到最终输出。
但是，上述改进依然存在问题，
- $5\times 5$ 卷积在深层特征图上计算量巨大
- 池化层输出通道数与输入相同，拼接后通道数爆炸性增长
- 总计算量仍然很高
针对上述问题，Google 设计了改进版本，引入 $1\times 1$ 卷积进行降维。如上图（b）所示。引入 $1\times 1$ 卷积的好处在于：
- 降维（Dimensionality Reduction）：减少输入通道数，降低后续卷积的计算量
- 非线性增强：$1\times 1$ 卷积后接 ReLU 激活函数，增加了网络的非线性表达能力
- 跨通道信息整合：融合不同通道的特征信息
假设输入为 $28\times 28\times 256$，输出通道为 $64$，进行计算量对比
\[28\times 28\times 256 \times 5\times 5\times 64 \approx 321 M (MACs)\]
- 原始版本（$5\times 5$ 卷积直接计算）
\[\begin{aligned} 1\times 1 \text{conv}:& 28\times 28\times 16 \times 1 \times 1 \times 256 \approx 3.2 M (MACs) \\ 5\times 5 \text{conv}:& 28\times 28\times 32 \times 5 \times 5 \times 16 \approx 10.0 M (MACs) \\ \end{aligned}\]
- 改进版本（16 通道 $1\times 1$ 卷积 + 64通道 $5\times 5$ 卷积）
总计算量降低约 $24.3$ 倍！
GoogLeNet 使用了 9 个 Inception 模块，是第一个达到上百层的网络，后续还有一系列改进。
2.4.2. 全局平均池化（GAP）
对于最后一个卷积层输出 $X \in \mathbb{R}^{H\times W\times C}$：
\[GAP(X)_C = \frac{1}{H\times W}\sum_{i=1}^{H}\sum_{j=1}^{W}X_{i,j,C}\]也即每个通道的所有空间位置取平均，直接得到 $C$ 维向量。
| 作用 | 说明 | 优势 |
|---|---|---|
| 1. 大幅减少参数量 | 消除全连接层 | AlexNet FC 层有 5800 万参数，GoogLeNet 仅用 GAP+FC(1000) ≈ 100 万参数 |
| 2. 降低过拟合风险 | 减少参数约 95% | 模型更小，泛化能力更强 |
| 3. 空间位置鲁棒性 | 对所有空间位置等权重平均 | 对输入物体的平移、小尺度变化更鲁棒 |
| 4. 强制特征映射与类别关联 | 每个通道对应一个类别特征 | 增加特征可解释性（类似 Class Activation Mapping） |
| 5. 输入尺寸灵活性 | 不依赖固定输入尺寸 | 可以处理不同分辨率的输入（自适应池化到1×1） |
2.4.3. 总结
总结 GoogleNet 的优势如下：
- 多尺度特征融合：不同尺寸卷积核捕捉不同尺度特征
- $1\times 1$ 卷积降维：减少参数量和计算量
- 增加网络宽度而非仅增加深度，提升特征多样性
2.5. ResNet
ResNet 由微软团队于 2015 年提出，通过残差连接（Residual Connection）解决了深层网络训练难题，可训练超过 $1000$ 层的网络。
人们关于 CNN 网络有一个共同的问题：加更多的层数总是能改进精度么？观察如下图，在统计机器学习中，出现 “退化问题”（Degradation Problem）。即随着模型复杂度的增加，训练误差在更深网络上反而变高。反之，如果每次增加模型复杂度，都能完全包裹住原先简单的模型，那么至少能保证模型性能不会变差。
2.5.1. 残差块
核心创新：残差块（Residual Block）
残差块通过跳跃连接（Skip Connection）使网络学习残差映射：
\[y = f(x, \{W_i\}) + x\]其中 $f(x)$ 是残差函数，$x$ 是输入，$y$ 是输出。当输入输出维度不同时，通过1×1卷积调整维度：
\[y = f(x, \{W_i\}) + W_s x\]通过残差块，即使网络结构中的 $f(x)$ 没有学到任何有用的东西，原始信息 $x$ 也可以通过残差链接得到保留，模型至少不会因为丢失信息变得更差。
残差块中还存在一种变体，如果原本 $f(x)$ 中的卷积改变了输入的维度（如高度、宽度、通道数），那么可以在残差连接中加入一个 $1\times 1$ 卷积，将输入的维度调整回输出的维度，从而保证后续加法的维度一致，如下图所示：
思考：如何通过 1×1 卷积层改变特征图的长度和宽度？
通过设置不同的 stride，比如 stride=2，可以把输入的宽度和高度缩小为原来的 1/2。实际上，ResNet 就是使用了两种 Residual 块：高宽减半的 ResNet 块和 宽高不变的 ResNet 块。有的人可能会问，为什么一定要在第二个卷积层和激活函数之间相加呢？当然可以尝试其他不同的组合，甚至更加多样的残差连接方式，如下图所示：
2.5.2. 反向传播
简单考虑残差块的梯度反向传播：
\[\frac{\partial y}{\partial x} = 1 + \frac{\partial f(x)}{\partial x}\]即使发生了梯度消失：
\[\frac{\partial f(x)}{\partial x}\to 0\quad \Rightarrow \quad \frac{\partial y}{\partial x} = 1\]这保证了梯度至少能无衰减地传递一层。
更一般的情况下，考虑第 $l$ 层的残差块结构：
\[\begin{aligned} y_l &= x_l + \mathcal{F}(x_l,W_l)\\ x_{l+1} &= f(y_l) \end{aligned}\]考虑从输出层 $L$ 层反向传播到第 $l$ 层，根据链式法则：
\[\frac{\partial \mathcal{l}}{\partial x_l} = \frac{\partial \mathcal{L}}{\partial x_L}\frac{\partial x_L}{\partial x_l}\]核心是第二项的展开。对于其中第 $k$ 层（$l\leq k< L$）层：
\[\begin{aligned} x_{k+1} &= f(y_{k}) = f(x_k + \mathcal{F}(x_{k},W_{k})) \end{aligned}\]其雅可比矩阵为
\[\begin{aligned} \frac{\partial x_{k+1}}{\partial x_k} &= \frac{\partial f(y_k)}{\partial x_k}\cdot \frac{\partial y_k}{\partial x_k}\\ &=f^\prime (y_k)\cdot (I + \frac{\partial \mathcal{F}(x_{k},W_{k})}{\partial x_k}) \end{aligned}\]那么从 $l$ 到 $L$ 的累计雅可比为
\[\frac{\partial x_L}{\partial x_l} = \prod_{k=l}^{L-1} \frac{\partial x_{k+1}}{\partial x_k} = \prod_{k=l}^{L-1} \left [f^\prime (y_k)\cdot (I + \frac{\partial \mathcal{F}(x_{k},W_{k})}{\partial x_k})\right ]\]定义
\[J_k = \frac{\partial \mathcal{F}(x_k, W_k)}{\partial x_k}\]注意到，$\mathcal{F}$ 通常是几个卷积层，每个卷积层的雅可比模长通常小于 $1$，因此 $J_k$ 通常是一个小值。
使用新定义的 $J_k$ 重新表示累计雅可比，并将连乘展开为多项式形式，有：
\[\begin{aligned} \prod_{k=l}^{L-1} (I + J_k) &= I + \sum_{k=l}^{L-1} J_k + \sum_{l \leq i < j \leq L-1} J_i J_j + \cdots + \prod_{k=l}^{L-1} J_k \end{aligned}\]可以看出，无论多深，ResNet 至少有一个单位矩阵项，且第二项是各层贡献的线性叠加，不会指数衰减。这保证了梯度至少有稳定的回传通路。
如果观察普通的网络（Plain Network），其前后两层的映射关系如下：
\[x_{k+1} = f(\mathcal{F}(x_k,W_k))\]雅可比矩阵为
\[\frac{\partial x_L}{\partial x_l} = \prod_{k=l}^{L-1} \left [ f^\prime (\mathcal{F}(x_k,W_k))\cdot \frac{\partial \mathcal{F}(x_{k},W_{k})}{\partial x_k}\right ]\]其累计雅可比为纯连乘，容易发生梯度消失。
2.5.3. 网络结构
参考 VGGNet 和 GoogLeNet 的总体架构，将其中的结构替换为 ResNet 块，得到 ResNet 的基本框架如下图所示：
ResNet变体：
- ResNet-18：8个残差块（18 个卷积权重层）
- ResNet-34：16个残差块（34 个卷积权重层）
- ResNet-50/101/152：使用 bottleneck 结构（1×1-3×3-1×1）减少计算量
优势：
- 有效缓解深层网络的梯度消失问题
- 使极深网络的训练成为可能
- 残差连接提供了特征复用机制
2.6. 轻量化网络
为适应移动设备等资源受限场景，轻量化网络应运而生：
- MobileNet系列：
- 采用深度可分离卷积（Depthwise Separable Convolution）
- 将标准卷积分解为深度卷积和逐点卷积
- 参数量和计算量显著减少（约为标准卷积的1/8~1/9）
- EfficientNet：
- 提出复合缩放策略（Compound Scaling）：统一缩放网络深度、宽度和分辨率
- 基于MobileNetV2的 inverted residual 结构
- 在相同计算资源下性能更优
- ShuffleNet：
- 引入通道混洗（Channel Shuffle）解决分组卷积的通道隔离问题
- 适合移动端部署的高效网络结构