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残差网络的介绍

news 2025/9/9 9:24:15

如果你接触过深度学习中的图像任务，一定听过 “残差网络”（Residual Network，简称 ResNet）这个名字。作为 2015 年 ImageNet 图像分类竞赛的冠军模型，ResNet 彻底解决了 “深层网络难训练” 的痛点，将网络层数从几十层提升到上千层，也成为了如今目标检测、图像分割等任务的 “骨干网络” 基石。

一、ResNet 诞生的背景：深层网络的 “梯度困境”

在 ResNet 出现之前，研究者们普遍认为 “网络层数越深，性能越好”—— 毕竟更深的网络能提取更复杂的特征。但实际训练中却遇到了两个致命问题：

1. 梯度消失 / 梯度爆炸

当网络层数超过 20 层后，反向传播时梯度会不断乘以 “小于 1 的权重”（或 “大于 1 的权重”），导致梯度逐渐趋近于 0（消失）或无限增大（爆炸）。最终浅层网络的参数无法更新，模型训练陷入停滞。

虽然当时已有 ReLU 激活函数、批归一化（Batch Normalization）等方法缓解，但当层数突破 50 层后，问题依然无法解决。

2. 退化问题（Degradation）

即使梯度没有完全消失，深层网络的性能也会 “不升反降”—— 比如一个 50 层的网络，测试准确率反而比 20 层的网络更低。这并非过拟合，而是深层网络的特征表达能力出现了 “退化”，简单来说：深层网络连 “复制” 浅层网络的性能都做不到。

正是在这样的背景下，何凯明团队在 2015 年发表了《Deep Residual Learning for Image Recognition》，提出了 “残差连接”（Residual Connection）的设计，一举将网络层数提升到 152 层，同时在 ImageNet 上实现了当时的最高准确率。

二、ResNet 的核心：残差块与跳跃连接

ResNet 的精髓只有一个 ——残差块（Residual Block）。它通过 “跳跃连接”（Skip Connection）的设计，让梯度能 “畅通无阻” 地回传，同时解决了退化问题。

1. 残差块的核心思想：“绕路” 的特征融合

我们先思考一个问题：如果深层网络的某一层 “没有学习到更好的特征”，能不能让它直接 “复用” 前一层的特征，而不是强行学习新特征？

ResNet 的答案是：可以。

传统卷积层的目标是学习一个 “映射函数” \(H(x)\)（输入x经过卷积、激活后得到输出\(H(x)\)）；而残差块则将目标拆分为两部分：

学习一个 “残差映射” \(F(x) = H(x) - x\)（即 “新特征与原始特征的差异”）；

最终输出为 \(H(x) = F(x) + x\)（将原始输入x直接 “跳” 过卷积层，与残差\(F(x)\)相加）。

这个 “跳过卷积层直接相加” 的操作，就是跳跃连接（也叫恒等映射连接）。

2. 残差块的两种经典结构

根据网络层数和计算效率，ResNet 设计了两种残差块，分别对应不同深度的模型：

（1）基础残差块（Basic Block）：适用于 ResNet-18/34

结构简单，由 2 个 3×3 卷积层组成，配合跳跃连接实现残差融合。其流程如下：

输入 x → 3×3卷积（ReLU激活）→ 3×3卷积 → 与输入x相加 → ReLU激活 → 输出

关键细节：卷积层的padding会设置为 1，确保卷积后的特征图尺寸与输入x一致（比如 28×28 的输入，卷积后仍为 28×28），这样才能与x直接相加。

就像我们之前在 MNIST 任务中实现的残差块：

class ResBlock(nn.Module):def __init__(self, channels_in):super().__init__()self.conv1 = nn.Conv2d(channels_in, 30, kernel_size=5, padding=2)  # 保持尺寸self.conv2 = nn.Conv2d(30, channels_in, kernel_size=3, padding=1)  # 恢复输入通道数def forward(self, x):out = self.conv1(x)out = self.conv2(out)return F.relu(out + x)  # 跳跃连接：out（残差）+ x（原始输入）

（2）瓶颈残差块（Bottleneck Block）：适用于 ResNet-50/101/152

当网络层数超过 50 层时，基础残差块的计算量会急剧增加。瓶颈块通过 “1×1 卷积降维→3×3 卷积提特征→1×1 卷积升维” 的设计，在保证性能的同时减少计算量：

输入 x → 1×1卷积（降维，减少通道数）→ ReLU → 3×3卷积（提特征）→ ReLU → 1×1卷积（升维，恢复通道数）→ 与输入x相加 → ReLU → 输出

举个例子：输入通道数为 256，瓶颈块会先通过 1×1 卷积将通道数降到 64（降维），再用 3×3 卷积处理（计算量仅为直接处理 256 通道的 1/16），最后用 1×1 卷积恢复到 256 通道，与输入 x 相加。

三、ResNet 的整体架构：从输入到输出

ResNet 的整体架构非常规整，以经典的 ResNet-50 为例，分为 5 个阶段（Stage 0 到 Stage 4），每个阶段由多个残差块组成，最后通过全连接层输出分类结果：

阶段（Stage）	网络层	输出通道数	特征图尺寸	残差块数量
Stage 0	7×7 卷积（步长 2）+ 池化	64	112×112	-
Stage 1	瓶颈块（Bottleneck）	256	56×56	3
Stage 2	瓶颈块	512	28×28	4
Stage 3	瓶颈块	1024	14×14	6
Stage 4	瓶颈块	2048	7×7	3
最终层	全局平均池化 + 全连接	1000	1×1	-

关键流程：

输入图像（如 224×224×3）先经过 7×7 大卷积和最大池化，缩小尺寸并提取初步特征；

然后进入 4 个阶段的残差块，每个阶段的残差块数量逐渐增加，通道数翻倍、尺寸减半（通过步长为 2 的卷积实现）；

最后通过全局平均池化将特征图压缩为 1×1×2048 的向量，再用全连接层输出 1000 类（对应 ImageNet 的 1000 个类别）的预测结果。

四、ResNet 的优势与影响：不止于图像分类

ResNet 的出现不仅解决了深层网络的训练问题，更深刻影响了后续所有计算机视觉任务，其核心优势包括：

1. 可训练的深层网络

首次实现了上千层网络的稳定训练，比如 ResNet-1000 在 ImageNet 上仍能收敛，打破了 “层数越深性能越差” 的魔咒。

2. 特征复用能力

跳跃连接让浅层特征能直接传递到深层，避免了深层网络 “遗忘” 浅层的基础特征（如边缘、纹理），提升了特征表达的丰富性。

3. 泛化能力强

ResNet 在小数据集（如 MNIST、CIFAR）和大数据集（如 ImageNet）上都表现优异，且不易过拟合，成为迁移学习的首选骨干网络。

ResNet 的衍生应用

如今 ResNet 已不是一个单一模型，而是一个 “家族”，并广泛应用于各类计算机视觉任务：

目标检测：Faster R-CNN、YOLOv5 等模型用 ResNet 作为骨干网络，提取高质量的图像特征；

图像分割：U-Net 的变体（如 ResUNet）加入残差块，解决分割任务中深层梯度消失的问题；

人脸识别：ArcFace 等算法用 ResNet 提取人脸特征，提升识别准确率；

迁移学习：预训练的 ResNet 模型（如 ResNet-50）可快速微调适配自定义任务，减少数据需求和训练时间。

五、实践建议：如何用 ResNet 解决你的任务？

如果你想在自己的项目中使用 ResNet，不需要从零实现 ——PyTorch、TensorFlow 等框架已内置了预训练的 ResNet 模型，直接调用即可：

示例：PyTorch 调用预训练 ResNet-50

import torch
from torchvision import models# 加载预训练的ResNet-50（权重来自ImageNet）
model = models.resnet50(pretrained=True)  # 或 torch.hub.load(...)# 微调：修改最后一层全连接层，适配自定义分类任务（如10类）
num_classes = 10
model.fc = torch.nn.Linear(model.fc.in_features, num_classes)# 移动到GPU（如果有）
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model = model.to(device)