在架构内容设计方面,其中一个比较有帮助的想法是使用 1×1 卷积。也许你会好奇,1×1 的卷积能做什么呢?不就是乘以数字么?听上去挺好笑的,结果并非如此,我们来具体看看。
过滤器为 1×1 ,这里是数字 2,输入一张 6×6×1 的图片,然后对它做卷积,过滤器大小为 1×1 ,结果相当于把这个图片乘以数字 2,所以前三个单元格分别是 2、 4、 6 等等。用 1×1 的过滤器进行卷积,似乎用处不大,只是对输入矩阵乘以某个数字。但这仅仅是对于6×6×1的一个通道图片来说, 1×1 卷积效果不佳。
如果是一张 6×6×32 的图片,那么使用 1×1 过滤器进行卷积效果更好。具体来说, 1×1 卷积所实现的功能是遍历这 36 个单元格,计算左图中 32 个数字和过滤器中 32 个数字的元素积之和,然后应用 ReLU 非线性函数。
我们以其中一个单元为例,它是这个输入层上的某个切片,用这 36 个数字乘以这个输入层上 1×1 切片,得到一个实数,像这样把它画在输出中。
这个 1×1×32 过滤器中的 32 个数字可以这样理解,一个神经元的输入是 32 个数字(输入图片中右下角位置 32 个通道中的数字),即相同高度和宽度上某一切片上的 32 个数字,这 32 个数字具有不同通道,乘以 32 个权重(将过滤器中的 32 个数理解为权重),然后应用 ReLU 非线性函数,在这里输出相应的结果。
一般来说,如果过滤器不止一个,而是多个,就好像有多个输入单元,每个单元的输入内容为一个切片上所有数字,输出结果是 6×6 × 过滤器数量。
1×1 卷积可以从根本上理解为对这 32 个不同的位置都应用一个全连接层,全连接层的作用是输入 32 个数字,在这 36 个单元上重复此过程) ,输出结果是 6×6×#filters(过滤器数量),以便在输入层上实施一个非平凡(non-trivial)计算。
这种方法通常称为 1×1 卷积,有时也被称为 Network in Network,在林敏、陈强和杨学成的论文中有详细描述。虽然论文中关于架构的详细内容并没有得到广泛应用,但是 1×1 卷积或 Network in Network 这种理念却很有影响力,很多神经网络架构都受到它的影响,包括 Inception 网络。
举个 1×1 卷积的例子,相信对大家有所帮助,这是它的一个应用。假设这是一个 28×28×192 的输入层,你可以使用池化层压缩它的高度和宽度,这个过程我们很清楚。但如果通道数量很大,该如何把它压缩为 28×28×32 维度的层呢?你可以用 32个大小为 1×1 的过滤器,严格来讲每个过滤器大小都是 1×1×192 维,因为过滤器中通道数量必须与输入层中通道的数量保持一致。但是你使用了 32 个过滤器,输出层为 28×28×32,这就是压缩通道数的方法,对于池化层我只是压缩了这些层的高度和宽度 。
在之后我们看到在某些网络中 1×1 卷积是如何压缩通道数量并减少计算的。当然如果你想保持通道数 192 不变,这也是可行的, 1×1 卷积只是添加了非线性函数,当然也可以让网络学习更复杂的函数,比如,我们再添加一层,其输入为 28×28×192,输出为 28×28×192。 1×1 卷积层就是这样实现了一些重要功能的(doing something pretty non-trivial),它给神经网络添加了一个非线性函数,从而减少或保持输入层中的通道数量不变,当然如果你愿意,也可以增加通道数量。
二 谷歌Inception模块