轻量模型简介

1. 卷积

深度可分离卷积（Depthwise separable Convolution）

深度可分离卷积depthwise separable convolution较多的应用在轻量级的网络，由depthwise(DW)和pointwise(PW)两个部分结合起来提取特征feature map。相比常规的卷积操作，其参数数量和运算成本比较低。

Depthwise separable convolution将卷积操作分为两步，分别是逐点卷积（PointWise Convolution,PW）和逐通道卷积（DepthWise Convolution,DW）。

• DepthWise Convolution
  标准卷积操作将卷积核用于所有的输入通道上，如输入为3×224×224时，一个卷积核在3个通道上同时卷积操作，最终一个卷积核对应输出一个feature map，而DepthWise Convolution不同，它针对每个输入通道应用不同的卷积核，一个卷积核对应一个输入通道。DW卷积完全在二维平面内运算，卷积核数量与上一层的通道数相同，如下图所示

  
  Depthwise Convolution完成后的Feature map数量与输入层的通道数相同，无法扩展Feature map。而且这种运算对输入层的每个通道独立进行卷积运算，没有有效的利用不同通道在相同空间位置上的特征信息。因此需要PointWise Convolution来将这些Feature map进行组合生成新的Feature map。

• PointWise Convolution
  PointWise Convolution就是卷积核大小为1×1×M的标准卷积，M为上一层的输出通道数。PW卷积在ResNet中已经用到，使用1×1卷积降低维度。PW卷积运算会将上一步的feature map在深度方向上进行加权组合，生成新的feature map，与普通卷积相同，输出的feature map数量与卷积核数量保持一致，如下图所示，上一层输出深度为3，则卷积核大小为1×1×3 。
  PW卷积的作用是对DW后各通道的特征进行融合，使得不同通道在相同空间位置上的特征得到有效利用。
  

综合来看，Depthwise separable convolution运算过程如下。

深度可分离卷积降低了参数数量和运算成本，以3×5×5的输入，要得到输出为4×3×3的输出为例，分别计算使用标准卷积和深度可分离卷积的参数量与运算量。

1. 标准卷积
   由[3, 5, 5]获得[4, 3, 3]，需要4个filter，每个大小为3×3，参数量为卷积核W x 卷积核H x 输入通道数 x 输出通道数 = 4×3×3×3 = 108，计算量为卷积核W x 卷积核H x (图片W-卷积核W+1) x (图片H-卷积核H+1) x 输入通道数 x 输出通道数 = 3×3×(5-2)×(5-2)×3×4 = 972 。
2. Depthwise separable convolution
   首先考虑DW卷积，维度与输入通道数保持一致，则需要3个卷积核，每个大小为3×3，则参数量=27，计算量为243；
   再考虑PW卷积，卷积核大小为1×1×3,，共有4个，则参数量为1×1×3×4=12，运算量为1×1×3×3×3×4=108；

相加可以得到，深度可分离卷积共计参数量为39，运算量为351，与标准卷积的108，972相比缩小了很多。

分组卷积（Group Convolution）

分组卷积对输入进行分组，每组分别卷积，若输入为$C\times H\times W$，卷积核数量为N，分为$G$个组，每组需处理的输入为$\frac{C}{G}$个，每组输出为$\frac{N}{G}$，设每个卷积核大小为$\frac{C}{G}\times K\times K$，卷积核共有$N$个，参数量为$N\times \frac{C}{G}\times K\times K$。
即常规卷积输出的特征图上，每一个点是由输入特征图$C\times H\times W$个点计算得到的，分组卷积输出的特征图上，每一个点是由输入特征图 $\frac{C}{G}\times H\times W$个点计算得到的，所以分组卷积的参数量是标准卷积的$\frac{1}{G}$

因为每组的卷积核只与该组的输入进行卷积，不会与其他组的输入计算，故运算量也大大减小。下图清晰的展示了分组卷积的运算。

2. MobileNet

MobileNet的基本单元是depthwise separable convolution，它们对参数规模和计算量的改进我们在上面已经有所解释，根据论文中进一步的推导，比较depthwise separable convolution和标准卷积可以得到如下公式：

其中$N$为输出特征图深度，$D_K$为卷积核大小，$N$值一般较大，所以可以粗略地认为depthwise separable convolution相较于标准卷积，其参数量可减少至后者的$\frac{1}{D_K^2}$。

MobileNet基本结构如下图右，

基本单元即为可分离卷积单元，从代码角度来看MobileNet的Block更为清晰。

class Block(nn.Module):
    '''Depthwise conv + Pointwise conv'''
    def __init__(self, in_planes, out_planes, stride=1):
        super(Block, self).__init__()
        # DW卷积, 卷积核大小3×3, 分为 in_planes,各层单独进行卷积
        # 输入输出深度相同均为in_planes
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_planes, in_planes, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, groups=in_planes, bias=False)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(in_planes)
        # PW 卷积, 1*1 的卷积核
        self.conv2 = nn.Conv2d(in_planes, out_planes, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(out_planes)

    def forward(self, x):
        out = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
        out = F.relu(self.bn2(self.conv2(out)))
        return out

MobileNet共有28层，第一层为标准3×3卷积，总体结构如下图

模型在训练时使用了非常少的正则化以及数据增强技术，因为小模型很少有过拟合的问题，也没有使用side heads或者标签平滑操作，因为深度卷积中参数量很小，所以也没有进行权重衰减。

MobileNet为了进一步缩小模型，引入了两个超参数——width multiplier和resolution multiplier，前者按比例减少通道数，记为$\alpha$，几个典型的取值为1, 0.75, 0.5和0.25，结合此参数，计算量为

后者按比例降低特征图大小，记为$\rho$，例如原来输入特征图是224x224，可以减少为192x192，引入resolution multiplier后，参数计算为

引入width multiplier和resolution multiplier势必会降低MobileNet的性能，所以根据需要的accuracy和model size来选择其取值。

一个问题

在很多文章中提到了此时计算量的bottleneck是conv1x1，这是我现在还没能理解的地方，需要以后继续学习。

3. ShuffleNet

前面提到在MobileNet中，1×1卷积已成为继续缩减计算量的瓶颈，这时出现了ShuffleNet，它在Xception和ResNeXt基础上，使用pointwise group convolutions减少1×1卷积的复杂性，并且为了克服分组卷积带来的副作用（分组之间的信息不流通），提出一种新的操作——channel shuffle来帮助不同特征分组之间的信息“交流”。

ShuffleNet除了已经介绍的depthwise separable convolution，还使用了channel shuffle、pointwise group convolutions来改进ResNet。

channel shuffle

channel shuffle操作基于分组卷积（group convolution），分组卷积已在上面介绍过，如下图(a)所示，每个卷积核仅与其对应分组的feature map做卷积，这样大大减少了计算量，但是会有“副作用”，对于输出特征，它仅仅关注学习所在分组的特征，某个通道的输出仅来自一小部分输入通道，这样具有很大的局限性，故作者提出channel shuffle。

在(b)图中，在一次分组卷积GConv1后，对所得结果的feature划分为subgroups（在代码中可通过reshape和 transpose来实现），将subgroups顺序打乱后输入到GConv2的分组卷积核中，而( c )图的思想与(b)图是一致的，这样就可以在一定程度上解决分组卷积通道信息不相关的问题。

对channel shuffle，原文中已解释的很明白

This can be efficiently and elegantly implemented by a channel shuffle operation (Fig 1 (c )): suppose a convolutional layer with g groups whose output has g × n channels; we first reshape the output channel dimension into (g; n), transposing and then flattening it back as the input of next layer.

即使两个卷积具有不同的组数，该操作仍然有效。此外，channel shuffle也是可微的，这意味着它可以嵌入到网络结构中进行端到端训练。

pointwise group convolutions

PW卷积为卷积核大小为1×1的卷积操作，pointwise group convolutions即为分组的PW卷积。

ShuffleNet unit

作者利用原始ResNet中的Bottleneck模块，逐步改进，最终形成ShuffleNet Unit。

图（a）：用3×3的DW卷积代替Bottleneck中的3×3卷积；
图（b）：用1×1的分组卷积代替原来的1×1卷积；
图（c）：在short cut上添加3×3的平均池化并设置stride=2，改变原有ResNet的Add操作为concat，即按channel合并，这使得在不增加额外计算成本的情况下，很容易扩大通道尺寸。

ShuffleNet

基于ShuffleNet Unit，提出ShuffleNet结构如下表

ShuffleNet主要由ShuffleNet Unit堆叠而成，主体遵循ResNet的结构，分为3个stage，每个stage中用ShuffleNet Unit代替原有的残差块，在ShuffleNet Unit中使用分组数g控制PW卷积的复杂度，使用不同组数和输出通道数，以确保计算量大致不变。

将上表中的ShuffleNet作为ShuffleNet 1×，在通道上取一个缩放因子$s$，将其模型称为ShuffleNet s×，$s$用于控制filters的数量，在整个ShuffleNet架构上，其复杂度的变化大概是$s^2$倍，不同参数的表现和计算量如下表所示

ShuffleNet的实现代码：ShuffleNet V1 神经网络简介与代码实战

对于卷积模型压缩的几个变形，这篇文章介绍的很详细，可作为参考阅读：
深入剖析MobileNet和它的变种（例如：ShuffleNet）为什么会变快?

4. SE模块

SENet即Squeeze-and-Excitation Networks，使用SE模块学习通道之间的相关性，通过对通道进行加权，强调有效信息，抑制无效信息。
SE模块分为Squeeze和Excitation两部分，很容易加载到已有的网络架构中，SE模块的结构如下图所示：

可以看到，输入X（$C^{\prime }\times H^{\prime }\times W^{\prime }$）先经过一个$F_{tr}$变换（eg. 卷积）获得特征图U（$C\times H\times W$），接着就要进行SE分支的操作。

Squeeze操作

Squeeze本质上是一个全局平均池化，顺着空间维度进行特征压缩，将每个二维的特征通道变成一个通道描述符（标量），这个描述符在某种程度上具有全局的感受野，并且输出的维度（$1\times 1\times C$）与输入的特征通道数一致，它允许网络的所有层使用来自全局感受野的信息。

Excitation操作

输入为Squeeze的输出，维度为$1\times 1\times C$。
Excitation操作基于特征通道间的相关性，对每个特征通道生成了一个权重，用于代表特征通道的重要程度，故Excitation的输出维度仍是C个标量（$1\times 1\times C$）。
权重生成后，通过乘法逐通道地加权到之前的特征上，完成通道维度上对原始特征的特征重标定。

SE模块的加载

SE模块的简单性也使得它很容易加入到已有的网络结构中，原论文中举了两个例子，分别是Inception和ResNet并给出了详细的计算图，结合Inception网络的计算图，可以更好的理解SE模块的操作过程。

Squeeze操作即图中的Global Pooling，Excitation操作即后续的FC+RELU+FC+Sigmoid组合。
在进行Excitation时，第一次FC的输出维度上添加了一个衰减因子reduction，这个参数的目的是为了减少通道个数从而降低计算量。

对Squeeze中的池化选择、Excitation中reduction值大小和激活函数选择，原论文中也做了不同尝试，可以查看原论文进行了解。

将SE加载到ResNet中，结构是相似的

这时需要考虑的要更多一些，例如SE block是加在ResNet哪个stage或者放在残差单元的哪个位置，论文也对不同情况进行了实验，如下图，将SE放在残差单元不同位置的结构

不同实验的结果对比，参看原论文，不做介绍。

SE Block实现

根据结构图，使用pytorch可以快速完成SE模块的搭建，代码如下

class SELayer(nn.Module):
    def __init__(self, channel, reduction=16):
        super(SELayer, self).__init__()
        self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Linear(channel, channel // reduction, bias=False),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(channel // reduction, channel, bias=False),
            nn.Sigmoid()
        )

    def forward(self, x):
        b, c, _, _ = x.size()
        y = self.avg_pool(x).view(b, c)
        y = self.fc(y).view(b, c, 1, 1)
        return x * y.expand_as(x)