ResNet50网络结构图及结构详解

引言

之前我读了ResNet的论文Deep Residual Learning for Image Recognition，也做了论文笔记（https://zhuanlan.zhihu.com/p/353228657），笔记里记录了ResNet的理论基础（核心思想、基本Block结构、Bottleneck结构、ResNet多个版本的大致结构等等），看本文之间可以先看看打打理论基础。

一个下午的时间，我用PPT纯手工做了一张图片详细说明ResNet50的具体结构，本文将结合该图片详细介绍ResNet50。

这张图和这篇文章估计全网最详细了（狗头）。

废话不多说，先放图片。（文末有无水印版图片或PPT源文件的下载链接）

上图（称为本图）可划分为左、中、右3个部分，三者内容分别如下

1. ResNet50整体结构
2. ResNet50各个Stage具体结构
3. Bottleneck具体结构

接下来为正文内容，本文先后介绍了本图从左到右的3个部分，并对Bottleneck进行了简要分析。

ResNet50整体结构

首先需要声明，这张图的内容是ResNet的Backbone部分（即图中没有ResNet中的全局平均池化层和全连接层）。

如本图所示，输入INPUT经过ResNet50的5个阶段（Stage 0、Stage 1、……）得到输出OUTPUT。

下面附上ResNet原文展示的ResNet结构，大家可以结合着看，看不懂也没关系，只看本文也可以无痛理解的。

上图描述了ResNet多个版本的具体结构，本文描述的“ResNet50”中的50指有50个层。和上图一样，本图描述的ResNet也分为5个阶段。

ResNet各个Stage具体结构

如本图所示，ResNet分为5个stage（阶段），其中Stage 0的结构比较简单，可以视其为对INPUT的预处理，后4个Stage都由Bottleneck组成，结构较为相似。Stage 1包含3个Bottleneck，剩下的3个stage分别包括4、6、3个Bottleneck。

现在对Stage 0和Stage 1进行详细描述，同理就可以理解后3个Stage。

Stage 0

• (3,224,224)指输入INPUT的通道数(channel)、高(height)和宽(width)，即(C,H,W)。现假设输入的高度和宽度相等，所以用(C,W,W)表示。
• 该stage中第1层包括3个先后操作

1. CONV
CONV是卷积（Convolution）的缩写，7×7指卷积核大小，64指卷积核的数量（即该卷积层输出的通道数），/2指卷积核的步长为2。
2. BN
BN是Batch Normalization的缩写，即常说的BN层。
3. RELU
RELU指ReLU激活函数。

• 该stage中第2层为MAXPOOL，即最大池化层，其kernel大小为3×3、步长为2。
• (64,56,56)是该stage输出的通道数(channel)、高(height)和宽(width)，其中64等于该stage第1层卷积层中卷积核的数量，56等于224/2/2（步长为2会使输入尺寸减半）。

总体来讲，在_Stage 0_中，形状为(3,224,224)的输入先后经过卷积层、BN层、ReLU激活函数、MaxPooling层得到了形状为(64,56,56)的输出。

Stage 1

在理解了Stage 0以及熟悉图中各种符号的含义之后，可以很容易地理解Stage 1。理解了Stage 1之后，剩下的3个stage就不用我讲啦，你自己就能看懂。

Stage 1的输入的形状为(64,56,56)，输出的形状为(64,56,56)。

下面介绍Bottleneck的具体结构（难点），把Bottleneck搞懂后，你就懂Stage 1了。

Bottleneck具体结构

现在让我们把目光放在本图最右侧，最右侧介绍了2种Bottleneck的结构。

“BTNK”是BottleNeck的缩写（本文自创，请谨慎使用）。

2种Bottleneck分别对应了2种情况：输入与输出通道数相同（BTNK2）、输入与输出通道数不同（BTNK1），这一点可以结合ResNet原文去看喔。

BTNK2

我们首先来讲BTNK2。

BTNK2有2个可变的参数C和W，即输入的形状(C,W,W)中的c和W。

令形状为(C,W,W)的输入为，令BTNK2左侧的3个卷积块（以及相关BN和RELU）为函数，两者相加（）后再经过1个ReLU激活函数，就得到了BTNK2的输出，该输出的形状仍为(C,W,W)，即上文所说的BTNK2对应输入与输出通道数相同的情况。

BTNK1

BTNK1有4个可变的参数C、W、C1和S。

与BTNK2相比，BTNK1多了1个右侧的卷积层，令其为函数。BTNK1对应了输入与输出通道数不同的情况，也正是这个添加的卷积层将变为，起到匹配输入与输出维度差异的作用（和通道数相同），进而可以进行求和。

简要分析

可知，ResNet后4个stage中都有BTNK1和BTNK2。

• 4个stage中BTNK2参数规律相同
  4个stage中BTNK2的参数全都是1个模式和规律，只是输入的形状(C,W,W)不同。
• Stage 1中BTNK1参数的规律与后3个stage不同
  然而，4个stage中BTNK1的参数的模式并非全都一样。具体来讲，后3个stage中BTNK1的参数模式一致，Stage 1中BTNK1的模式与后3个stage的不一样，这表现在以下2个方面：

1. 参数S：BTNK1左右两个1×1卷积层是否下采样
   Stage 1中的BTNK1：步长S为1，没有进行下采样，输入尺寸和输出尺寸相等。
   后3个stage的BTNK1：步长S为2，进行了下采样，输入尺寸是输出尺寸的2倍。
2. 参数C和C1：BTNK1左侧第一个1×1卷积层是否减少通道数
   Stage 1中的BTNK1：输入通道数C和左侧1×1卷积层通道数C1相等（C=C1=64），即左侧1×1卷积层没有减少通道数。
   后3个stage的BTNK1：输入通道数C和左侧1×1卷积层通道数C1不相等（C=2*C1），左侧1×1卷积层有减少通道数。

• 为什么Stage 1中BTNK1参数的规律与后3个stage不同？（个人观点）

• 关于BTNK1左右两个1×1卷积层是否下采样
  因为Stage 0中刚刚对网络输入进行了卷积和最大池化，还没有进行残差学习，此时直接下采样会损失大量信息；而后3个stage直接进行下采样时，前面的网络已经进行过残差学习了，所以可以直接进行下采样。
• 关于BTNK1左侧第一个1×1卷积层是否减少通道数
  根据ResNet原文可知，Bottleneck左侧两个1×1卷积层的主要作用分别是减少通道数和恢复通道数，这样就可以使它们中间的3×3卷积层的输入和输出的通道数都较小，因此效率更高。
  Stage 1中BTNK1的输入通道数C为64，它本来就比较小，因此没有必要通过左侧第一个1×1卷积层减少通道数。

链接：https://pan.baidu.com/s/1cX0OUNQO4pgX9H8-xtx7oQ

提取码：9y0v

https://www.bilibili.com/read/cv2051292

https://arxiv.org/abs/1512.03385

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