MobileNet系列(1) :MobileNet V1网络详解

MobileNet V1论文：Efficient Convolutional Neural Networks for mobie vision Application

1 引言

传统卷积神经网络，内存需求大、运算量大导致无法在移动设备以及嵌入式设备上运行。MobileNet网络是由google团队在2017年提出的，专注于移动端或者嵌入式设备中的轻量级CNN网络。相比传统卷积神经网络，在准确率小幅降低的前提下大大减少模型参数与运算量。(相比VGG16准确率减少了0.9%，但模型参数只有VGG的1/32）, 网络的两点主要体现下两方面：

• Depthwise Convolution(大大减少运算量和参数数量)
• 增加了两个超参数$\alpha$,$\beta$,其中$\alpha$控制卷积核个数的超参数，$\beta$控制输入图像大小，这两个参数是人为设定的，并不是网络学习到的

本文的主角MobileNet是Google提出的一种小巧而高效的CNN模型，MobileNets基于流线型架构(streamlined)，使用深度可分离卷积(depthwise separable convolutions,即Xception变体结构)来构建轻量级深度神经网络。论文测试在多个参数量下做了广泛的实验，并在ImageNet分类任务上与其他先进模型做了对比，显示了强大的性能。论文验证了模型在其他领域(对象检测，人脸识别，大规模地理定位等)使用的有效性。

2 相关研究

现阶段，在建立小型高效的神经网络工作中，通常可分为两类工作：

• 1.压缩预训练模型。获得小型网络的一个办法是减小、分解或压缩预训练网络，例如量化压缩(product quantization)、哈希(hashing )、剪枝(pruning)、矢量编码( vector quantization)和霍夫曼编码(Huffman coding)等；此外还有各种分解因子(various factorizations )用来加速预训练网络；还有一种训练小型网络的方法叫蒸馏(distillation )，使用大型网络指导小型网络，这是对论文的方法做了一个补充，后续有介绍补充。
• 2.直接训练小型模型。 例如Flattened networks利用完全的因式分解的卷积网络构建模型，显示出完全分解网络的潜力；Factorized Networks引入了类似的分解卷积以及拓扑连接的使用；Xception network显示了如何扩展深度可分离卷积到Inception V3 networks；Squeezenet 使用一个bottleneck用于构建小型网络。

本文MobileNet网络架构属于上述第二种，允许模型开发人员专门选择与其资源限制(延迟、大小)匹配的小型模型，MobileNets主要注重于优化延迟同时考虑小型网络，从深度可分离卷积的角度重新构建模型。

3 Depthwise Separable Convolution

mobileNet的基本单元是深度可分离卷积（depthwise separable convolution）。深度可分离卷积其实是一种可分解卷积操作（factorized convolutions），其可以分解为两个更小的操作：depthwise convolution(DW 卷积)和pointwise convolution(PW卷积)。

DW卷积

Depthwise Convolution和传统卷积不同，对于传统卷积其卷积核是用在所有的输入通道上（input channels），而depthwise convolution针对每个输入通道采用不同的卷积核，就是说一个卷积核对应一个输入通道，所以说depthwise convolution是depth级别的操作。

传统卷积

1. 卷积核的channel=输入特征channel
2. 输出特征矩阵的channel=卷积核个数
   

图2 传统卷积

图3 DW卷积

DW卷积

1. 卷积核的channel=1
2. 输入特征channel=卷积核个数=输出特征channel

PW卷积

pointwise convolution其实就是普通的卷积，只不过其采用1x1的卷积核。

图4 PW卷积

对于depthwise separable convolution，其首先是采用depthwise convolution对不同输入通道分别进行卷积，然后采用pointwise convolution将上面的输出再进行结合，这样其实整体效果和一个标准卷积是差不多的，但是会大大减少计算量和模型参数量。使用depthwise separable convolution（深度可分离卷积），能减少多少参数呢？请看图5对比说明


对同样的输入，通过普通的卷积和深度可分离卷积，同样都得到channel=4的特征矩阵

普通卷积的计算量:
其中 $D_F$是输入特征矩阵的长、宽，$M$是输入特征的channel , $D_K$是卷积核的大小，$N$是卷积核的个数
计算量: $D_F$ x $D_F$ x $D_K$ x $D_K$ x $M$ x $N$

可分离卷积计算量:
计算量: $D_K$ x $D_K$ x $D_F$ x $D_F$ x $M$ +$D_F$ x $D_F$ x $M$ x $N$

可分离卷积与普通卷积的计算量对比:
$$\frac{D_K.D_K.D_F.D_F.M+D_F.D_F.M.N}{D_F.D_F.D_K.D_K.M.N}=\frac{1}{N}+\frac{1}{9}$$

因此：理论上普通卷积计算量 是 可分离卷积（DW +PW）的8到9倍

4 MobieNet V1网络结构

前面讲述了depthwise separable convolution，这是MobileNet的基本组件，但是在真正应用中会加入BN层，并使用ReLU激活函数，所以depthwise separable convolution的基本结构如图4右边所示。标准卷积和MobileNet中使用的深度分离卷积结构对比如下:

4.1 MobieNet V1网络结构

表1 mobienet v1 网络结构

• 表1 mobienet v1 网络结构中第一行Conv/s2表示普通卷积，步距为2.Filter Shape为3x3x3x32表示卷积核大小为3x3,输入为彩色图片3通道，输出为32通道
• Conv dw/s1表示 DW卷积，步距为1，Filter Shape为3 x 3 x 32表示卷积核大小3x3,dw卷积的channel为1，卷积核的个数为32
• 由于可分离卷积是mobienet v1基本组件，可分离卷积表示为dw +pw，因此dw 和1x1的pw是成对出现的
• mobienet v1的模型结构有点类似于VGG结构，简单的将一系列卷积进行串行链接。

4.2 MobieNet V1 的特点

与其他模型对比

对比了 MobieNet 和GoogleNet、VGG16在imageNet数据集上的准确率、运算量和模型参数，可以看到MobieNet相对于VGG16 它的准确率只减少了0.9%，但它的模型参数大概只有VGG网络的$1/32$

超参数$\alpha$ 和$\beta$

$\alpha$ 是卷积核个数的倍率，控制卷积过程中采用的卷积核个数。看看取不同$\alpha$ 时网络的效果。

• $\alpha$ 取1.0的时候，它的准确率是70.6%,当$\alpha$ 取0.75时，即卷积个数缩减为原来的0.75倍的时候，它的准确率为68.4%,同时计算量和参数也不同程度的减少；当$\alpha$ 取0.5时，准确率为63.7%，计算量和参数同时也在减少。可以发现将我们卷积核个数减少之后，准确率上没有太大的变化，但模型参数大幅减少。可以根据自己的项目需求去选择合适的$\alpha$值。
  
• $\beta$是分辨率的参数,输入图像的尺寸对网络的分类准确率，模型计算量、模型参数的对比。可以发现通过适当减低图片尺寸大小，能够保证准确率降低很小的情况下，来大幅减少我们的运算量。根据你自己项目的需求来设置$\beta$参数。

在mobienet v1网络的实际使用中，很多人发现dw卷积，它在训练完之后部分卷积核容易废掉，即卷积核参数大部分为0.因为你观察DW卷积的参数时，你会发现它的大部分参数都是等于0的，DW卷积核是没有起到作用的。针对这个问题再我们mobienet v2中会得到改善。