工业界第一手实战经验：深度学习高效网络结构设计

SIGAI特约作者

mileistone

腾讯算法工程师

研究方向：物体检测

 

这一年来一直在做高效网络设计的工作，2018年即将结束，是时候写一篇关于高效网络设计的总结。

 

首先看看当前业界几个最负盛名的高效网络简介：

以上网络的目标主要有三个：权重少、计算少、速度快。这三者之间不存在着严格的相关关系，它们是三个独立的目标。即权重少不代表计算量少；计算量少不代表速度快。

 

高效网络高效的含义比较模糊，有的文章认为计算量小就是高效，有的文章认为速度快即高效。本篇总结主要从速度快入手。

 

速度快慢与计算量、结构是否利于并行、内存读取、运算硬件平台、具体软件实现等等都有关系，所以没有比较公允的衡量方式，一般比较好的衡量方式就是直接测速度。

 

从上述高效网络文章可以看出，高效网络的设计思路有如下几条：

1、depthwise separable convolutions

 

2、low rank filter

 

3、pointwise group convolution

 

4、避免网络分支太多，或者group太多

 

5、减少element wise的操作

 

既然已经有这么多高效网络，为什么要我们还要重新设计网络？

 

因为网络与任务相关，例如分类还是检测，分类是多少类，难度如何；检测是多类别检测还是单类别检测，如果是单类别，这个类别的物体有什么特性，例如人脸检测和人体检测的网络设计思路就大相径庭。我们工作中面临的任务大部分与论文里提出网络针对的任务不同，如果我们直接将论文里提出的模型拿过来用，而不加以改进，这个网络很可能不够好，例如准确率还有优化空间、或者速度还有优化空间。

 

高效网络和复杂网络设计的区别较大。如：

 

1、残差结构，仅仅是一个加的操作，这个操作在复杂网络里所耗的时间可以忽略不计，但是在高效网络里，它却成为了不可忽视的因素[shufflenetv2]；

 

2、bottleneck，在复杂网络里，认为bottleneck可以减少计算量，但是在高效网络里，bottleneck却可能成为耗时的瓶颈

 

[shufflenet]We notice that state-of-the-art basic architectures such as Xception [3] and ResNeXt [40] become less efficient in extremely small networks because of the costly dense 1 × 1 convolutions. We propose using pointwise group convolutions to reduce computation complexity of 1 × 1 convolutions

 

[shufflenet]for each residual unit in ResNeXt the pointwise convolutions occupy

93.4% multiplication-adds (cardinality = 32 as suggested in

[40])

 

3、大kernel size filter。在复杂网络里，我们越来越少用kernel size大的filter，例如5x5、7x7，我们认为用多层3x3就能达到大kernel size filter的感受野，例如两层3x3可以达到一层5x5的感受野，3层3x3可以达到一层7x7的感受野，同时计算量更小，由于网络更深，非线性也更优。但是在高效网络里，可能事情有些不同。

 

例如FaceBoxes提出的RDCL模块，用四层网络将feature map降为1/32。feature map大的部分非常耗时，不宜恋战，为了加速，需要在网络前端尽快将feature map的大小降下来，这个时候大kernel size filter有了用武之地，RDCL里面用到了7x7和5x5的大kernel。

 

4、任务相关性。复杂网络因为表达能力够强，所以对任务不是很敏感；高效网络为了达到高效，需要充分利用任务的特点，针对该特点将与之无关的计算全部砍掉，这是高效网络的优点。然而世间没有免费的午餐，这个优点会带来缺点，因为高效网络与任务强耦合，换一个任务，网络的效果可能就不太好。例如将FaceBoxes这个网络backbone用来检测人体，效果会打一定折扣，因为人体数据的分布与人脸差异较大。

 

 

如何重新设计网络？

我将设计网络分为了5个层次：

 

0、入门，直接整体替换backbone

例如将VGG16换为mobilenet。

 

1、初级，减channel，砍block

即成比例地降低一个经典网络的channel，例如channel数降低为之前的1/2；或者stage的block重复数减小，例如将某个stage的block重复数从8减小为6。

 

2、中级，替换block

比如mobilenetv2出来了之后，整体将之前模型的block替换为mobilenetv2的block；或者shufflenetv2出来之后，整体将之前模型的block替换为shufflenetv2的结构。

 

3、高级，从头开始设计，集众家之所长

即理解业界各个经典模型背后的motivation以及解决思路，不再拘泥于生搬硬套。将各个经典模型背后的设计思路吃透，了然于胸，下笔如有神。

 

4、科学家，设计出新的模块，为业界添砖加瓦，例如depthwise separable convolutions，shuffle channel等等。

 

网络设计的未来

从nasnet和mnasnet的相继推出，以及我自己设计网络的实践经历来看，我认为最终网络设计会完全被机器替代。

 

首先，我自己设计网络的过程，大概就是看各种网络结构的论文，然后把这些论文里的设计思路用到网络设计中，思路验证对了之后，再根据这个思路不断改超参，搜索得到一个该思考下的局部最优模型。这个过程其实跟nas的过程一模一样，即给定一些经典设计思路，和网络目标，最后组合这些网络设计思路得到最优模型。

比如nasnet所使用的网络模块有如下候选：

如果有公司能够提供比算法工程师更便宜的nas服务，我想大部分从事网络设计的算法工程师就可以下岗了，就跟当年工业革命，纺纱机出现了之后，纺织工人最后要么被裁，要么自谋出路。硬件只会越来越便宜，而算法工程师的待遇不可能一直降低，所以我想总有一天网络设计会被机器取代，就如同alphago大败李世石和柯洁一样。最后nas应该都不需要输入网络设计思路，它自己就能找到最优的网络设计思路，如果alphazero都不需要学习人类棋谱，自我博弈就可成为围棋大师。

 

nas服务是一群这个领域内最厉害科学家所设计的服务，nas所设计出来的模型以后必然会比大部分算法工程师好，如果nas服务又好又便宜，那么大部分公司应该都不需要雇佣算法工程师。