MobileNet全家桶

MobileNet自2017年发布v1以来就被广泛应用在移动端，随后又分别在2018年和2019年发布了v2和v3。去年《MobileNets v1模型解析 | Hey\~YaHei！》一文中已经讨论过v1的主要贡献，趁着前阵子*（已经是两个月前了其实）*刚刚发布v3，不妨把整个MobileNet家族放在一起稍作讨论。

MobileNet v1

论文：《MobileNets: Efficient Convolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications(2017)》

主要贡献

1. 用深度可分离卷积（DW卷积提取特征+点卷积组合特征）取代传统的卷积，大幅提升特征提取的效率
2. 进而利用深度可分离卷积设计出高效的直筒式网络MobileNet

深度可分离卷积

基本思路

将普通卷积的过程分解为“滤波”和“组合”两个阶段——

如上图，
假设 $M$ 通道输入图 $I$ 大小为 $D\_I \times D\_I$，经过一个核大小 $D\_K \times D\_K$ 的卷积层，最终输出一张大小为 $D\_O \times D\_O$ 的 $N$ 特征图 $O$

1. ①阶段为“滤波”阶段，$N$ 个卷积核分别作用在图 $I$ 的每个通道上提取特征，最终输出 $N$ 张大小为 $D\_O \times D\_O$ 的单通道特征图；
2. ②阶段为“组合”阶段，$N$ 张特征图堆叠组合起来，得到一张 $N$ 通道的特征图 $O$

更详细地，①过程还能进一步分解——

如上图，将①阶段进一步细分为 Ⅰ 到 Ⅳ 四个子阶段，

1. Ⅰ 阶段，将原图 $I$ 按通道分离成 $\{ I\_1\, I\_2\, \.\.\.\, I\_M \}$ 的 $M$ 张单通道图；
2. Ⅱ 阶段，用M个卷积核 $K\_m$ 对各个单通道图提取特征，分别得到一张大小为 $D\_O \times D\_O$ 的单通道特征图；
3. Ⅲ 阶段，对 Ⅱ 阶段输出的 $M$ 张单通道特征图按通道堆叠起来然后“拍扁”（沿通道方向作加法操作）,得到原图在该卷积核作用下的最终输出 $O_n$；
4. Ⅳ 阶段，用另外 $N\-1$ 个卷积核重复 Ⅱ 、 Ⅲ 阶段，得到 $N$ 张大小为 $D\_O \times D\_O$ 的单通道特征图

可以看到，传统的卷积中用 $N$ 个不同的卷积核不厌其烦地对原图进行特征提取来得到 $N$ 通道的输出，这其中必定从原图中提取到了大量的重复特征。有没有可能只用单个卷积核来做特征提取，最后依旧能输出多通道的特征图呢？——这就是深度向卷积分解的核心思路（或者换个角度，DW卷积就是分组卷积的一种极端情况）。
观察①阶段中的第三个子阶段，该阶段将多张单通道特征图按通道堆叠起来之后“拍扁”，如果去掉这个“拍扁”的过程，其实就可以提取得到一张 $M$ 通道的特征图啦，再经过一个 $M$ 维空间到 $N$ 维空间的线性映射，就能够和普通的卷积操作一样得到一张 $N$ 通道的特征图 $O$。完整的卷积过程如下图所示——

1. 滤波Depthwise Convolution

①、②阶段与传统卷积①阶段的前两个阶段完全相同，③阶段比传统卷积①阶段的第三个阶段少了一个“拍扁”的过程，直接堆叠形成一张 $M$ 通道的特征图；

1. 组合Pointwise Convolution

④阶段用 $N$ 个 $1 \times 1$ 卷积核将特征图从 $M$ 维空间线性映射到 $N$ 维空间上

效率比较

假设 $M$ 通道输入图 $I$ 大小为 $D\_I \times D\_I$，经过一个核大小 $D\_K \times D\_K$ 的卷积层，最终输出一张大小为 $D\_O \times D\_O$ 的 $N$ 特征图 $O$

对于普通的卷积操作，

• 输出 $N$ 通道特征图需要 $N$ 个卷积核，故参数数量为 $M \times N \times D\_K \times D\_K$；
• 一个 $D\_K \times D\_K$ 的卷积核在原图的某个位置的某个通道上需要进行 $D\_K \times D\_K$ 次乘加操作，输出特征图大小为 $D\_O \times D\_O$，原图通道数量为 $M$，共有 $N$ 个不同的卷积核，故乘加操作数量为 $D\_K \times D\_K \times D\_O \times D\_O \times M \times N$

对于深度向分解后的卷积操作，

• 特征提取只使用了一个 $D\_K \times D\_K$ 的卷积核，组合过程为了作线性映射用了 $N$ 个 $1 \times 1$ 的卷积核，故参数数量为 $M \times N \+ M \times D\_K \times D\_K$；
• 特征提取过程只有一个卷积核，所以该过程乘加操作数量为 $D\_K \times D\_K \times D\_O \times D\_O \times M$。同样的，组合过程容易算得需要 $D\_O \times D\_O \times M \times N$ 次乘加操作。故乘加操作的总数量为 $D\_O \times D\_O \times M \times \( D\_K \times D\_K \+ N\)$

总的来说，参数数量和乘加操作的运算量均下降为原来的 $\frac{1}{D_K^2} + \frac{1}{N}$，通常使用 $3 \times 3$ 的卷积核，也就是下降为原来的九分之一到八分之一左右。而从论文的实验部分来看，准确率也只有极小的下降。

模型结构

• 第一层使用普通的卷积层，最前端的特征提取非常重要，宁可存在重复的特征信息，也不该放掉；
• 随后是一系列的深度向分解卷积层，用于逐层次提取特征，用步长不为1的卷积替代池化做降采样，同时整体也满足通道加深，特征图分辨率降低的CNN一般特点；
• 最后也是常规的全局平均池化、全连接、Softmax；
• 每次卷积操作之后都紧跟一个BN层（在预测阶段可以被合并）和一个RELU层；
• 而且，深度向分解的卷积中绝大多数参数和运算都集中在 $1 \times 1$ 的pointwise卷积运算当中，这种运算恰恰是能够被 GEneral Matrix Multiply(GEMM) 函数直接实现而不需要经过im2col或im2row的；
• 论文中还提到两个压缩模型的因子，分别用于输入图片分辨率收缩和网络宽度收缩来进一步精简模型；
• 由于MobileNet本身为小模型，不容易过拟合，故不需要过多的正则化策略和数据增强策略；且Depthwise Convolution参数数量比较少，只需要加入一个很小的权重衰减甚至可以不需要权重衰减

MobileNet v2

论文：《MobileNetV2: Inverted Residuals and Linear Bottlenecks(2018)》

主要贡献

1. 取消通道收缩时的激活层：通道收缩时使用非线性激活会带来信息丢失
2. 将relu改为relu6以限制激活的输出范围
3. 引入反残差结构：MobileNet本身通道数量较少，引入“通道扩增-特征提取-通道收缩”的反残差结构有助于提高特征提取的能力

通道收缩时使用非线性激活带来信息丢失

用一个随机矩阵$T$，将一个初始的二维螺旋映射到一个$n$维空间后，经过一个非激活单元ReLU，再由$T^{-1}$反映射回二维空间。可以观察到，当n比较小（如n=2,3）时，反映射后的图形已经完全不像一个螺旋，出现明显的信息丢失：而当n比较大时，由于足够的冗余信息的存在，可以有效抵抗非线性单元带来的信息丢失：

反残差结构

v2参考了resnet，引入了shortcut设计，但不同的是：

• resnet采用“通道收缩-特征提取-通道扩增”的残差结构，对输入特征进行压缩，也减少了特征提取的参数量和计算量；
• 而MobileNet本身模型就不大，采用了相反的“通道扩增-特征提取-通道收缩”的反残差结构，以提高特征提取的能力

同时可以看到，与残差结构不同，反残差结构在elt+的输入都是通道扩增前的小通道特征图，可以说对带宽是比较友好的。
对于通道扩增的倍数，论文里建议是取5-10，如MobileNet v2里取$t=6$。

模型结构

MobileNet v3

论文：《Searching for MobileNetV3(2019)》

主要贡献

1. 用NAS搜索整体的网络架构
2. 用NetAdapt搜索合适的网络宽度
3. 引入注意力机制的SE模块
4. 引入h-swish激活函数

网络搜索

正如论文标题所示，MobileNet v3的结构主要是通过Network Architecture Search(NAS)和NetAdapt搜索出来的。不过也有手工调整的部分，比如最后一个stage，作者将全局平均池化提前，并取消其中繁冗的特征提取、通道收缩过程，从而进一步提高的模型的效率。

注意力机制：SE模块

v3引入了《Squeeze-and-Excitation Networks(2017)》的SE模块，通过全连接层对全局平均池化后的特征图进行通道重要性的评估，并将权重应用到特征图的通道上。

h-swish激活函数

《Sigmoid-weighted linear units for neural network function approximation in reinforcement learning(2017)》提出了新型激活函数swish并取得不错的效果——
$$swish(x) = x \cdot \sigma(x)$$
其中$\sigma(\cdot)$为sigmoid函数，
$$\sigma(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$$

不过sigmoid函数的指数运算终究太麻烦了，于是v3提出了hard-swish，通过分段函数ReLU6和相应的线性变换来近似sigmoid函数：
$$\text{h-swish}(x) = x \cdot \frac{ReLU6(x+3)}{6}$$

sigmoid和h-sigmoid、swish和h-swish的比较如下：

作者发现，

1. 近似版本的h-swish能起到跟swish十分接近的作用
2. h-swish无论在软件还是硬件层面都非常容易实现，而且解决了量化网络时sigmoid的近似实现带来的数值精度损失问题

模型结构

左图为large版本，右图为small版本——

1. 是否使用SE是platform-aware NAS权衡速度和精度之后做出的选择
2. 由于h-swish的速度比relu慢，而浅层的特征图比较大，所以网络的浅层更倾向于更快的relu，只有在深层使用h-swish；不过第一层卷积的通道数比较少，再加上这里h-swish替代relu有比较好的效果，所以v3还是倾向于第一层卷积依旧使用h-swish
3. 尽管3x3卷积已经成为手工设计网络主流，但似乎5x5卷积也有用武之地

FD-MobileNet

论文：《FD-MobileNet: Improved MobileNet with a Fast Downsampling Strategy(2018)》

Fast-Downsample MobileNet是MobileNet-v1的一个变种，采用快速下采样策略（提前下采样）来减小特征图尺寸，并增大网络宽度提高模型的特征提取能力，FD-MobileNet1.0和MobileNet0.5的比较——

ImageNet上的实验结果

MobileNet v1

MobileNet v2

MobileNet v3

FD-MobileNet

原文：https://hey-yahei.cn/2019/07/...