轻量化模型之MobileNet系列

自 2012 年 AlexNet 以来，卷积神经网络在图像分类、目标检测、语义分割等领域获得广泛应用。随着性能要求越来越高，AlexNet 已经无法满足大家的需求，于是乎各路大牛纷纷提出性能更优越的 CNN 网络，如 VGG、GoogLeNet、ResNet、DenseNet 等。由于神经网络的性质，为了获得更好的性能，网络层数不断增加，从 7 层 AlexNet 到 16 层 VGG，再从 16 层 VGG 到 GoogLeNet 的 22 层，再到 152 层 ResNet，更有上千层的 ResNet 和 DenseNet。虽然网络性能得到了提高，但随之而来的就是效率问题。

效率问题主要是模型的存储问题和模型进行预测的速度问题。

1、存储问题。数百层网络有着大量的权值参数，保存大量权值参数对设备的内存要求很高；

2、速度问题。在实际应用中，往往是毫秒级别，为了达到实际应用标准，要么提高处理器性能（很难），要么就减少计算量。

只有解决 CNN 效率问题，才能让 CNN 走出实验室，更广泛的应用于移动端。

对于效率问题，通常的方法是进行模型压缩（Model Compression），即在已经训练好的模型上进行压缩，使得网络携带更少的网络参数，从而解决内存问题，同时可以解决速度问题。

相比于在已经训练好的模型上进行处理，轻量化模型模型设计则是另辟蹊径。轻量化模型设计主要思想在于设计更高效的「网络计算方式」（主要针对主干网卷积），从而使网络参数减少的同时，不损失网络性能。

MobileNetV1

谷歌在2017年提出专注于移动端或者嵌入式设备中的轻量级CNN网络：MobileNet。最大的创新点是深度可分离卷积。

传统卷积分成两步，每个卷积核与每张特征图进行按位相成然后进行相加，此时，计算量为

通过深度可分离卷积，计算量将会下降，当时，深度可分离卷积比传统卷积少8到9倍的计算量。深度可分离卷积虽然很好的减少计算量，但同时也会损失一定的准确率。

最后给出v1的整个模型结构，该网络有28层。可以看出，该网络基本去除了pool层，使用stride来进行降采样。

depthwise后接BN层和RELU6，pointwise后也接BN层和RELU6，如下图所示（图中应该是RELU6）。左图是传统卷积，右图是深度可分离卷积。更多的ReLU6，增加了模型的非线性变化，增强了模型的泛化能力。

v1中使用了RELU6作为激活函数，这个激活函数在float16/int8的嵌入式设备中效果很好，能较好地保持网络的鲁棒性。

MobileNet给出了2个超参，宽度乘子α和分辨率乘子β，通过这两个超参，可以进一步缩减模型，文章中也给出了具体的试验结果。此时，我们反过来看，扩大宽度和分辨率，都能提高网络的准确率，但如果单一提升一个的话，准确率很快就会达到饱和，这就是2019年谷歌提出efficientnet的原因之一，动态提高深度、宽度、分辨率来提高网络的准确率。

MobileNetV2

2018年谷歌又一新作，在V1的基础上，引入了Inverted Residuals和Linear Bottlenecks。

在使用V1的时候，发现depthwise部分的卷积核容易费掉，即卷积核大部分为零。作者认为这是ReLU引起的。

简单来说，就是当低维信息映射到高维，经过ReLU后再映射回低维时，若映射到的维度相对较高，则信息变换回去的损失较小；若映射到的维度相对较低，则信息变换回去后损失很大，如下图所示：

因此，认为对低维度做ReLU运算，很容易造成信息的丢失。而在高维度进行ReLU运算的话，信息的丢失则会很少。另外一种解释是，高维信息变换回低维信息时，相当于做了一次特征压缩，会损失一部分信息，而再经过relu后，损失的部分就更加大了。作者为了这个问题，就将ReLU替换成线性激活函数。

Inverted Residuals

这个可以翻译成“倒残差模块”。什么意思呢？我们来对比一下残差模块和倒残差模块的区别。

残差模块：输入首先经过1*1的卷积进行压缩，然后使用3*3的卷积进行特征提取，最后在用1*1的卷积把通道数变换回去。整个过程是“压缩-卷积-扩张”。这样做的目的是减少3*3模块的计算量，提高残差模块的计算效率。
倒残差模块：输入首先经过1*1的卷积进行通道扩张，然后使用3*3的depthwise卷积，最后使用1*1的pointwise卷积将通道数压缩回去。整个过程是“扩张-卷积-压缩”。为什么这么做呢？因为depthwise卷积不能改变通道数，因此特征提取受限于输入的通道数，所以将通道数先提升上去。文中的扩展因子为6。

Linear Bottleneck

这个模块是为了解决一开始提出的那个低维-高维-低维的问题，即将最后一层的ReLU6替换成线性激活函数，而其他层的激活函数依然是ReLU6。

将两个模块进行结合，如下图所示。当stride=1时，输入首先经过1*1的卷积进行通道数的扩张，此时激活函数为ReLU6；然后经过3*3的depthwise卷积，激活函数是ReLU6；接着经过1*1的pointwise卷积，将通道数压缩回去，激活函数是linear；最后使用shortcut，将两者进行相加。而当stride=2时，由于input和output的特征图的尺寸不一致，所以就没有shortcut了。

最后，给出v2的网络结构。其中，t为扩张系数，c为输出通道数，n为该层重复的次数，s为不长。可以看出，v2的网络比v1网络深了很多，v2有54层。

当然，少不了性能对比图。v2的准确率比v1高出不少，延时也低了很多，是一款不错的轻量化网络。

MoblieNetV3

MobileNet V3发表于2019年，该v3版本结合了v1的深度可分离卷积、v2的Inverted Residuals和Linear Bottleneck、SE模块，利用NAS（神经结构搜索）来搜索网络的配置和参数。

v3在v2的版本上有以下的改进：

作者发现，计算资源耗费最多的层是网络的输入和输出层，因此作者对这两部分进行了改进。如下图所示，上面是v2的最后输出几层，下面是v3的最后输出的几层。可以看出，v3版本将平均池化层提前了。在使用1*1卷积进行扩张后，就紧接池化层-激活函数，最后使用1*1的卷积进行输出。通过这一改变，能减少10ms的延迟，提高了15%的运算速度，且几乎没有任何精度损失。其次，对于v2的输入层，通过3*3卷积将输入扩张成32维。作者发现使用ReLU或者switch激活函数，能将通道数缩减到16维，且准确率保持不变。这又能节省3ms的延时。

由于嵌入式设备计算sigmoid是会耗费相当大的计算资源的，因此作者提出了h-switch作为激活函数。且随着网络的加深，非线性激活函数的成本也会随之减少。所以，只有在较深的层使用h-switch才能获得更大的优势。

在v2的block上引入SE模块，SE模块是一种轻量级的通道注意力模块。在depthwise之后，经过池化层，然后第一个fc层，通道数缩小4倍，再经过第二个fc层，通道数变换回去（扩大4倍），然后与depthwise进行按位相加。

最后，v3的结构如下图所示。作者提供了两个版本的v3，分别是large和small，对应于高资源和低资源的情况。两者都是使用NAS进行搜索出来的。

从下面的试验结果，可以看出v3-large的准确率和计算速度都高于v2。所以，AutoML搭出来的网络，已经能代替大部分调参了。

MobileNetV3网络结构分为三部分：

起始部分：1个卷积层，通过3x3的卷积，提取特征；
中间部分：多个卷积层，不同Large和Small版本，层数和参数不同；
最后部分：通过两个1x1的卷积层，代替全连接，输出类别；

网络框架如下，其中参数是Large体系：

源码如下（Pytorch）：

def forward(self, x):
    # 起始部分
    out = self.init_conv(x)
    # 中间部分
    out = self.block(out)
    # 最后部分
    out = self.out_conv1(out)
    batch, channels, height, width = out.size()
    out = F.avg_pool2d(out, kernel_size=[height, width])
    out = self.out_conv2(out)
    out = out.view(batch, -1)
    return out

起始部分

起始部分，在Large和Small中均相同，也就是结构列表中的第1个卷积层，其中包括3个部分，即卷积层、BN层、h-swish激活层。

Start

源码如下：

init_conv_out = _make_divisible(16 * multiplier)
self.init_conv = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=init_conv_out, kernel_size=3, stride=2, padding=1),
    nn.BatchNorm2d(init_conv_out),
    h_swish(inplace=True),
)

h-swish 和 h-sigmoid

h-swish是非线性激活函数，公式如下：

图形如下：

源码如下：

out = F.relu6(x + 3., self.inplace) / 6.
return out * x

H-sigmoid是非线性激活函数，用于SE结构，源码如下：

return F.relu6(x + 3., inplace=self.inplace) / 6.

卷积计算公式：

输入图片：W×W
卷积核：F×F
步长：S
Padding的像素值：P
输出图片大小为：N×N

N = (W − F + 2P ) / S + 1 #其中，向下取整，多余的像素不参于计算。

中间部分

中间部分是多个含有卷积层的块（MobileBlock）的网络结构，Large的网络结构：

Large

其中：

SE：Squeeze-and-Excite结构，压缩和激发；
NL：Non-Linearity，非线性；HS：h-swish激活函数，RE：ReLU激活函数；
bneck：bottleneck layers，瓶颈层；
exp size：expansion factor，膨胀参数；

每一行都是一个MobileBlock，即bneck。

源码：

self.block = []
for in_channels, out_channels, kernel_size, stride, nonlinear, se, exp_size in layers:
    in_channels = _make_divisible(in_channels * multiplier)
    out_channels = _make_divisible(out_channels * multiplier)
    exp_size = _make_divisible(exp_size * multiplier)
    self.block.append(MobileBlock(in_channels, out_channels, kernal_size, stride, nonlinear, se, exp_size))
    self.block = nn.Sequential(*self.block)

MobileBlock

三个必要步骤：

1x1卷积，由输入通道，转换为膨胀通道；
3x3或5x5卷积，膨胀通道，使用步长stride；
1x1卷积，由膨胀通道，转换为输出通道。

两个可选步骤：

SE结构：Squeeze-and-Excite；
连接操作，Residual残差；步长为1，同时输入和输出通道相同；

其中激活函数有两种：ReLU和h-swish。

结构如下，参数为特定，非通用：

MobileBlock

def forward(self, x):
    # MobileNetV2
    out = self.conv(x)  # 1x1卷积
    out = self.depth_conv(out)  # 深度卷积

    # Squeeze and Excite
    if self.SE:
        out = self.squeeze_block(out)

    # point-wise conv
    out = self.point_conv(out)

    # connection
    if self.use_connect:
        return x + out
    else:
        return out

其中，1x1卷积：

self.conv = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(in_channels, exp_size, kernel_size=1, stride=1, padding=0),
    nn.BatchNorm2d(exp_size),
    activation(inplace=True)
)

SE模块：

self.depth_conv = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(exp_size, exp_size, kernel_size=kernal_size, stride=stride, padding=padding, groups=exp_size),
    nn.BatchNorm2d(exp_size),
)

1x1逐点卷积

self.point_conv = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(exp_size, out_channels, kernel_size=1, stride=1, padding=0),
    nn.BatchNorm2d(out_channels),
    activation(inplace=True)
)

SE结构

池化；
Squeeze线性连接 + RELU + Excite线性连接 + h-sigmoid；
resize；
权重与原值相乘；

class SqueezeBlock(nn.Module):
    def __init__(self, exp_size, divide=4):
        super(SqueezeBlock, self).__init__()
        self.dense = nn.Sequential(
            nn.Linear(exp_size, exp_size // divide),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(exp_size // divide, exp_size),
            h_sigmoid()
        )

    def forward(self, x):
        batch, channels, height, width = x.size()
        out = F.avg_pool2d(x, kernel_size=[height, width]).view(batch, -1)
        out = self.dense(out)
        out = out.view(batch, channels, 1, 1)

        return out * x

残差结构

最终的输出与原值相加，源码如下：

self.use_connect = (stride == 1 and in_channels == out_channels)

if self.use_connect:
    return x + out
else:
    return out

最后部分

最后部分（Last Stage），通过将Avg Pooling提前，减少计算量，将Squeeze操作省略，直接使用1x1的卷积，如图：

源码如下：

out = self.out_conv1(out)
batch, channels, height, width = out.size()
out = F.avg_pool2d(out, kernel_size=[height, width])
out = self.out_conv2(out)

第1个卷积层conv1，SE结构同上，源码如下：

out_conv1_in = _make_divisible(96 * multiplier)
out_conv1_out = _make_divisible(576 * multiplier)
self.out_conv1 = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(out_conv1_in, out_conv1_out, kernel_size=1, stride=1),
    SqueezeBlock(out_conv1_out),
    h_swish(inplace=True),
)

第2个卷积层：

out_conv2_in = _make_divisible(576 * multiplier)
out_conv2_out = _make_divisible(1280 * multiplier)
self.out_conv2 = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(out_conv2_in, out_conv2_out, kernel_size=1, stride=1),
    h_swish(inplace=True),
    nn.Conv2d(out_conv2_out, self.num_classes, kernel_size=1, stride=1),
)

最后，调用resize方法，将Cx1x1转换为类别，即可：

out = out.view(batch, -1)

除此之外，还可以设置multiplier参数，等比例的增加和减少通道的个数，满足8的倍数，源码如下：

def _make_divisible(v, divisor=8, min_value=None):
    if min_value is None:
        min_value = divisor
    new_v = max(min_value, int(v + divisor / 2) // divisor * divisor)
    # Make sure that round down does not go down by more than 10%.
    if new_v < 0.9 * v:
        new_v += divisor
    return new_v

至此，网络结构完成。