deep learning笔记：记首次ResNet实战

实践出真知。在之前的博文deep-learning笔记：使网络能够更深——ResNet简介与pytorch实现中，我对何恺明大神的CVPR最佳论文中提出的残差网络做了简单介绍。而就在第二年（2016年），何恺明的团队就发表了“Identity Mappings in Deep Residual Networks”这篇文章，分析了ResNet成功的关键因素——residual block背后的算法，并对residual block以及after-addition activation进行改进，通过一系列的ablation experiments验证了，在residual block和after-addition activation上都使用identity mapping（恒等映射）时，能对模型训练产生很好的效果。不知道为什么，我今天从arXiv上download这篇paper的时候发现上不去了，莫非现在上arXiv也要科学上网了？
本次实战主要是基于之前的ResNet实现和flyAI平台，并结合上面提到的何恺明团队分析ResNet的论文做出一些改进，并检验效果。

References：

电子文献：
https://blog.csdn.net/Sandwichsauce/article/details/89162570
https://www.jianshu.com/p/184799230f20
https://blog.csdn.net/wspba/article/details/60572886
https://www.cnblogs.com/4991tcl/p/10395574.html
https://blog.csdn.net/DuinoDu/article/details/80435127

参考文献：
[1]Identity Mappings in Deep Residual Networks

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ablation experiments

在上面我提到了这个名词，中文翻译是“消融实验”。或许在阅读论文的过程中会接触到这个名词，如果仅根据字面翻译的话或许会很纳闷。
在查找了一定的资料后，我对这种方法有了大致地了解。
ablation的原本释义是通过机械方法切除身体组织，如手术，从身体中去除尤指器官以及异常生长的有害物质。
事实上，这种方法类似于物理实验中的控制变量法，即当在一个新提出的模型中同时改变了多个条件或者参数，那么为了分析和检验，在接下去的消融实验中，会一一控制每个条件或者参数不变，来根据结果分析到底是哪个条件或者参数对模型的优化、影响更大。
在机器学习、特别是复杂的深度神经网络的背景下，科研工作者们已经采用“消融研究”来描述去除网络的某些部分的过程，以便更好地理解网络的行为。

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ResNet的分析与改进

1. 残差单元

   在2015年ResNet首次发布的时候，设计的残差单元在最后的输出之前是要经过一个激活函数的。而在2016年新提出的残差单元中，去掉了这个激活函数，并通过实验证明新提出的残差单元训练更简单。 这种新的构造的关键在于不仅仅是在残差单元的内部，而是在整个网络中创建一个“直接”的计算传播路径来分析深度残差网络。通过构造这样一个“干净”的信息通路，可以在前向和反向传播阶段，使信号能够直接的从一个单元传递到其他任意一个单元。实验表明，当框架接近于上面的状态时，训练会变得更加简单。

2. shortcut

   对于恒等跳跃连接$h(x_{l})=x_{l}$，作者设计了5种新的连接方式来与原本的方式作对比，设计以及实验结果如下所示： 其中fail表示测试误差超过了20%。实验结果表明，原本的连接方式误差衰减最快，同时误差也最低，而其他形式的shortcut都产生了较大的损失和误差。
   作者认为，shortcut连接中的操作 (缩放、门控、1×1的卷积以及dropout) 会阻碍信息的传递，以致于对优化造成困难。
   此外，虽然1×1的卷积shortcut连接引入了更多的参数，本应该比恒等shortcut连接具有更加强大的表达能力。但是它的效果并不好，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。

3. 激活函数

   对于激活函数的设置，作者设计了如下几种方式进行比较： 在这里，作者将激活项分为了预激活（pre-activation）和后激活（post-activation）。通过实验可以发现，将ReLU和BN都放在预激活中，即full pre-activation最为有效。

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ResNet实战

根据论文中的实验结果，我使用了新的残差模块进行实践。并结合在deep-learning笔记：学习率衰减与批归一化中的分析总结对BN层的位置选取作了简单调整。在本次实验中，我尝试使用了StepLR阶梯式衰减和连续衰减两种学习率衰减方式，事实证明，使用StepLR阶梯式衰减的效果在这里要略好一些（连续衰减前期学得太快，后面大半部分都学不动了…）。
首次训练的结果并不理想，于是我加大了学习率每次衰减的幅度，即让最后阶段的学习率更小，这使我的模型的评分提高了不少。
由于训练资源有限，我没能进行更深（仅设置了10层左右）、更久（每次仅进行20个epoch）的训练，但在每个batch中，最高的accuracy也能达到65%左右，平均大约能超过50%。相比之前使用浅层网络仅能达到20%左右的accuracy，这已经提升不少了。然而最终的打分还是没有显著提高，因此我思考是否存在过拟合的问题。为此我尝试着在全连接层和捷径连接中加入dropout正则化来提高在测试集中的泛化能力，结果最终打分仅提高了0.1，而训练时间稍短。由于我除了dropout之外并没有改变网络的层数等影响参数量的因素，因此似乎与何大神在论文中original版和dropout版shortchut的比较有一些矛盾，但的确还是说明了dropout在这里的作用微乎其微，优化模型时可以排除至考虑范围之外了。

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遇到的问题

1. TabError: inconsistent use of tabs and spaces in indentation

   当我在flyAI提供的窗口中修改代码并提交GPU训练时，就出现了这个报错。它说我在缩进时错误的使用了制表符和空格。于是我只好把报错处的缩进删除并重敲tab缩进，问题就得到了解决。
   如果使用PyCharm等IDE的话，这个错误会直接显示出来，即在缩进处会有灰色的颜色警告，将光标移过去就会有具体报错。这就省得提交GPU之后才能收到报错，所以以后写代码、改代码能用IDE还是用起来好啦。

2. RuntimeError: one of the variables needed for gradient computation has been modified by an inplace operation

   这是在shortcut残差连接时遇到的一个报错，上网后发现原因很简单：版本问题。在新版的pytorch中，由于0.4.0之后把Varible和Tensor融合为一个Tensor，因此inplace操作在之前对Varible时还能用，但现在只有Tensor，就会出错了。
   解决的办法是将x += self.shortcut(x1)替换成x = x + self.shortcut(x1)。
   若网络很大，找起来很麻烦，可以在网络的中间变量加一句x.backward()，看会不会报错，如果不会的话，那就说明至少这之前是没毛病的。

3. 张量第一维是batch size

   起初，我根据输入的torch.Size([64, 1, 128, 128])，使用如下函数将输出拍平成1维的：

   def num_flat_features(self, x):
       size = x.size()[0:]
       num_features = 1
       for s in size:
           num_features *= s
       return num_features

   同时，为了匹配，我将第一个全连接层的输入乘上了64。其实这个时候我已经开始怀疑这个64是哪来的了，为什么这个张量第一维尺度有64。
   直到后来平台报错，我才意识到这个表示的不是数据的维度，而是我设计的batch size。
   为此我将上面的代码调整如下：

   def num_flat_features(self, x):
       size = x.size()[1:]
       num_features = 1
       for s in size:
           num_features *= s
       return num_features

   如此，问题得到解决，最终的输出应该是batch size乘上总类别数的一个张量。

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arXiv

文前提到了上arXiv下论文要科学上网的事情，后来我发现了一个中科院理论物理所的一个备选镜像，但是好像不是特别稳定，不过还是先留在这里吧，万一的话可以拿来试试。
一般一些科研工作者会在论文发布之前上传到arXiv以防止自己的idea被别人用了。估计主要是为了防止类似牛顿莱布尼兹之争这种事吧。