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深度学习：ResNet 残差神经网络详解

news 2025/9/5 8:08:02

一、ResNet 残差神经网络的起源与核心地位

ResNet（Residual Neural Network，残差神经网络）是 2015 年由微软亚洲研究院的何凯明、张祥雨等研究者提出的深度神经网络架构。在当年的 ImageNet 大规模视觉识别挑战赛（ILSVRC）中，ResNet 凭借革命性的设计一举斩获分类任务、目标检测任务双料冠军；同时在 COCO 数据集（Common Objects in Context）的评测中，也包揽了目标检测与图像分割任务的第一名，成为计算机视觉领域的里程碑模型。

与传统卷积神经网络（如 AlexNet、VGGNet）相比，ResNet 的核心突破在于两点：独创的残差结构和内置的批次归一化机制。这两个设计不仅让网络能够突破 “深度瓶颈”，实现数百层的有效训练，更奠定了后续深度学习架构（如 DenseNet、EfficientNet）的设计基础，至今仍是图像分类、目标检测、图像分割等任务的基础骨干网络之一。

二、残差结构的原理与实现细节

残差结构（Residual Block）是 ResNet 的 “灵魂”，其核心目标是解决深层网络训练中的 “退化问题”，让网络在增加深度的同时，性能不下降甚至提升。

1. 核心思想：从 “直接映射” 到 “残差学习”

传统神经网络的每一层都试图学习 “输入到输出的直接映射”（即学习函数），而残差结构则将目标改为学习 “输入与输出的差异”（即学习残差函数）。最终网络的输出则变为：) 其中，x 是残差块的输入，是经过若干卷积层、激活函数后的特征（残差部分），“+” 代表元素级加法（即特征矩阵相同位置的数值相加）。

这种设计的优势在于：当网络需要学习 “恒等映射”（即输入等于输出，）时，只需让残差部分 ) 即可，无需让卷积层费力学习复杂的直接映射 —— 这大大降低了深层网络的训练难度。

2. 实现关键：保证输入与残差的 “形状匹配”

元素级加法要求输入 x 和残差的特征矩阵形状（高度、宽度、通道数）完全一致，否则无法直接相加。为满足这一要求，ResNet 设计了两种残差块：

（1）恒等映射残差块（Identity Block）

适用于 “输入与输出特征形状一致” 的场景（通常是同一组残差块内部的连接）。结构如下：

输入 x 先经过 1 个卷积层（卷积核大小 3×3，步长 1，填充 1），激活函数为 ReLU；
再经过 1 个卷积层（同样 3×3，步长 1，填充 1），此时得到残差；
将与原始输入 x 直接相加（元素级加法）；
最后经过 ReLU 激活函数，得到残差块的输出。
由于卷积层使用 “步长 1 + 填充 1”，残差的高度、宽度与输入 x 完全一致；若通道数需调整，会在卷积层中通过调整卷积核数量来匹配输入通道数。

（2）1×1 卷积调整残差块（Conv Block）

适用于 “输入与输出特征形状不一致” 的场景（通常是不同组残差块之间的连接，需要降维或调整通道数）。结构与恒等映射块类似，但增加了 “1×1 卷积调整输入” 的步骤：

输入 x 先经过 1 个 1×1 卷积层（步长 2，无填充），目的是将输入的高度、宽度减半（降维），同时调整通道数；
后续卷积层操作与恒等映射块一致，得到残差 \(F(x)\)；
跳跃连接（Skip Connection）部分的输入 x 也需经过 1 个 1×1 卷积层（步长 2），确保其形状与 \(F(x)\) 匹配；
两者相加后经过 ReLU 激活，得到输出。

1×1 卷积的引入是 ResNet 的巧妙设计 —— 它既能高效调整特征通道数，又能控制计算量，避免因形状匹配导致的复杂度飙升。

三、ResNet 经典变体：从 18 层到 152 层的架构解析

ResNet 并非单一架构，而是一系列不同深度的变体集合。通常所说的 “层数” 指的是卷积层与全连接层的总数量（不含池化层、激活层）。常见变体包括 ResNet-18、ResNet-34、ResNet-50、ResNet-101、ResNet-152，其核心差异在于 “残差块的类型” 和 “每组残差块的数量”。

1. 架构分类：基础块与瓶颈块

基础块（Basic Block）：用于 ResNet-18 和 ResNet-34，由 2 个 3×3 卷积层组成（即上述恒等映射 / Conv Block 结构），适合层数较少的网络。
瓶颈块（Bottleneck Block）：用于 ResNet-50、ResNet-101 和 ResNet-152，由 “1×1 卷积（降维）→3×3 卷积（特征提取）→1×1 卷积（升维）” 组成。这种结构在保证特征提取能力的同时，大幅减少了计算量（FLOPs），让数百层网络的训练成为可能。

2. ResNet 各变体架构对比表

下表清晰展示了不同 ResNet 变体的层数分布、残差块类型及计算复杂度（以 ImageNet 数据集为基准）：

3. ResNet-18 架构示例（以 ImageNet 分类任务为例）

ResNet-18 是最基础的变体，其架构流程可分为 5 个阶段，清晰体现了 ResNet 的设计逻辑：

输入层与初始卷积：输入 224×224×3 的 RGB 图像，经过 1 个 7×7 卷积层（步长 2，填充 3）和 1 个最大池化层（3×3，步长 2），得到 56×56×64 的特征图；
第一组残差块：包含 2 个基础块（恒等映射块），输入输出均为 56×56×64，无降维；
第二组残差块：包含 2 个基础块，第一个块为 Conv Block（步长 2），将特征图降为 28×28×128，第二个块为恒等映射块；
第三组残差块：包含 2 个基础块，第一个块为 Conv Block（步长 2），将特征图降为 14×14×256，第二个块为恒等映射块；
第四组残差块：包含 2 个基础块，第一个块为 Conv Block（步长 2），将特征图降为 7×7×512，第二个块为恒等映射块；
全局平均池化与全连接：对 7×7×512 的特征图进行全局平均池化，得到 1×1×512 的向量，再经过 1 个全连接层输出 1000 个类别（对应 ImageNet 的 1000 类分类任务）。

实际应用中，若需适配自定义分类任务（如 10 类分类），只需将最后全连接层的输出维度修改为 10 即可。

4.表格示例

18层，34层，50层，101层，152层，及其结构
FLOPs行是每个网络的计算性能和模型复杂度

四、批次归一化（Batch Normalization）与 ResNet 的协同作用

批次归一化（Batch Normalization，简称 BN）并非 ResNet 首创（2015 年由 Ioffe 和 Szegedy 提出），但 ResNet 将其与残差结构深度结合，成为解决深层网络训练问题的 “双核心” 之一。

1.工作过程

对输入图像进行预处理
对每一个特征图进行归一化处理之后再输入下一个卷积层

2.主要作用

减轻内部协变量偏移：通过标准化每一层的输入，使得其均值接近0，方差接近1，从而减少了层间输入的变化，帮助模型更快地收敛。
提高训练速度：批次归一化能够使得更大的学习率得以使用，从而加速训练。
缓解梯度消失：通过规范化输入，有助于保持激活值的稳定性，从而在一定程度上减轻了梯度消失现象。
具有正则化效果：批次归一化可以在某种程度上减少对其他正则化技术（如Dropout）的依赖，因为它引入了一定的噪声。
提高模型泛化能力：通过使训练过程更加稳定，批次归一化有助于提高模型在未见数据上的表现。

五、ResNet 对传统神经网络痛点的突破性解决

在 ResNet 出现之前，传统深层卷积神经网络（如 VGGNet-19、GoogleNet）面临两大核心痛点：梯度消失 / 爆炸和退化问题。ResNet 通过残差结构和 BN 的组合，从根本上解决了这些问题。

1. 解决梯度消失与梯度爆炸问题

梯度消失和梯度爆炸是深层网络反向传播过程中的经典问题，其本质是 “梯度在多层传递中被不断放大或缩小”。

（1）梯度消失

问题表现：反向传播时，梯度通过链式法则逐层传递，若每一层的梯度绝对值小于 1（如激活函数为 Sigmoid 时，导数最大值仅 0.25），经过数十层传递后，梯度会趋近于 0，导致浅层权重几乎无法更新，模型训练停滞。
ResNet 的解决方案：
- 残差结构的跳跃连接：残差块的输出为，反向传播时，梯度其中 “1” 直接来自跳跃连接，确保梯度至少为，不会因趋近于 0 而消失。
- BN 的稳定作用：BN 通过标准化输入，避免激活函数进入梯度趋近于 0 的区域（如 ReLU 的死亡区、Sigmoid 的饱和区），进一步保证梯度的有效传递。

（2）梯度爆炸

问题表现：若每一层的梯度绝对值大于 1，经过多层传递后，梯度会呈指数级增长，导致权重更新过大，模型损失函数发散，甚至出现数值溢出（如权重变为 NaN）。
ResNet 的解决方案：
- BN 的梯度缩放：BN 的标准化操作会将输入特征的方差控制在 1 附近，间接限制了梯度的量级，避免梯度在传递过程中过度放大。
- 残差结构的梯度分流：残差块中的卷积层多采用 3×3 小卷积核，且瓶颈块通过 1×1 卷积降维，减少了参数数量和计算量，间接降低了梯度的波动范围，避免梯度爆炸