MobileNet v1 v2 v3论文学习总结

MobileNet v1

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)。

深度可分离卷积

要说MobileNet网络的优点，无疑是其中的Depthwise Convolution结构(大大减少运算量和参数数量)。

传统卷积，输入是3个通道特征图，经过4个（3x3x3）的卷积核，得到4个通道的特征图。有几个卷积核，卷积后输出就会得到几个通道。

深度可分离卷积（depthwise separable convolution），由depthwise(DW)和pointwise(PW)两个部分，用来提取特征feature map。优点：1、减少参数数量。2、减少运算量。

2.1 逐通道卷积（Depthwise Convolution）

逐通道卷积：一个卷积核负责一个通道，一个通道只被一个卷积核卷积，输出通道数和输入的通道数完全一样。

Params：3x3x3=27

MAdds：3x3x3x（H-2)X(W-2）

2.2 深度可分离卷积-逐点卷积（Pointwise Convolution）

逐点卷积：卷积核的形状为 Cx1×1，C为输入的通道数。深度方向上进行加权求和（也可以理解成在每一个像素点上操作），输入的通道数等于卷积和个数。

Params：4x3x1x1=12

MAdds：4x3x1x1xHxW

下图展示了传统卷积与DW卷积的差异，在传统卷积中，每个卷积核的channel与输入特征矩阵的channel相等（每个卷积核都会与输入特征矩阵的每一个维度进行卷积运算）。

而在DW卷积中，每个卷积核的channel都是等于1的（每个卷积核只负责输入特征矩阵的一个channel，故卷积核的个数必须等于输入特征矩阵的channel数，从而使得输出特征矩阵的channel数也等于输入特征矩阵的channel数）

刚刚说了使用DW卷积后输出特征矩阵的channel是与输入特征矩阵的channel相等的，如果想改变/自定义输出特征矩阵的channel，那只需要在DW卷积后接上一个PW卷积即可，如下图所示，其实PW卷积就是普通的卷积而已（只不过卷积核大小为1）。通常DW卷积和PW卷积是放在一起使用的，一起叫做Depthwise Separable Convolution（深度可分卷积）。

计算量

那Depthwise Separable Convolution（深度可分卷积）与传统的卷积相比有到底能节省多少计算量呢，下图对比了这两个卷积方式的计算量，其中Df是输入特征矩阵的宽高（这里假设宽和高相等），Dk是卷积核的大小，M是输入特征矩阵的channel，N是输出特征矩阵的channel，卷积计算量近似等于卷积核的高 x 卷积核的宽 x 卷积核的channel x 输入特征矩阵的高 x 输入特征矩阵的宽（这里假设stride等于1），在我们mobilenet网络中DW卷积都是是使用3x3大小的卷积核。所以理论上普通卷积计算量是DW+PW卷积的8到9倍

网络结构

在mobilenetv1原论文中，还提出了两个超参数，一个是α一个是β。α参数是一个倍率因子，用来调整卷积核的个数，β是控制输入网络的图像尺寸参数，下图右侧给出了使用不同α和β网络的分类准确率，计算量以及模型参数。

mobilenet v1的网络结构，左侧的表格是mobileNetv1的网络结构，表中标Conv的表示普通卷积，Conv dw代表刚刚说的DW卷积，s表示步距，

首先是一个3x3的标准卷积，s2进行下采样。然后就是堆积深度可分离卷积，并且其中的部分深度卷积会利用s2进行下采样。然后采用平均池化层将feature变成1x1，根据预测类别大小加上全连接层，最后是一个softmax层。整个网络有28层，其中深度卷积层有13层。

根据表格信息就能很容易的搭建出mobileNet v1网络。

MobileNet v2

而且有人反映说MobileNet v1网络中的DW卷积很容易训练废掉，效果并没有那么理想。
MobileNet v2网络是由google团队在2018年提出的，相比MobileNet V1网络，准确率更高，模型更小。

Relu做了啥？

这是将低维流形的ReLU变换embedded到高维空间中的的例子。

我们在这里抛弃掉流形这个概念，通俗理解一下。

假设在2维空间有一组由m个点组成的螺旋线Xm数据(如input)，利用随机矩阵T映射到n维空间上并进行ReLU运算，即：

其中，Xm被随机矩阵T映射到了n维空间：

再利用随机矩阵T的逆矩阵T-1，将y映射回2维空间当中：

全过程如下表示：

换句话说，就是对一个n维空间中的一个“东西”做ReLU运算，然后（利用T的逆矩阵T-1恢复）对比ReLU之后的结果与Input的结果相差有多大。

可以看到：

当n = 2,3时，与Input相比有很大一部分的信息已经丢失了。而当n = 15到30，还是有相当多的地方被保留了下来。

也就是说，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。

这就解释了为什么深度卷积的卷积核有不少是空。发现了问题，我们就能更好地解决问题。针对这个问题，可以这样解决：既然是ReLU导致的信息损耗，将ReLU替换成线性激活函数。

 什么是Linear Bottlenck结构(Mobilenetv2提出)？

由于DW、PW都是以Relu作为激活函数，且PW会做降维，再对低维特征做ReLU时会丢失很多信息，所以从高维向低维转换，使用ReLU激活函数可能会造成信息丢失或破坏（所以不使用非线性激活数函数），即在PW这一部分，我们不再使用ReLU激活函数而是使用线性激活函数。

Inverted residual block（倒残差结构）

如下下图所示，左侧是ResNet网络中的残差结构，右侧就是MobileNet v2中的到残差结构。在残差结构中是1x1卷积降维->3x3卷积->1x1卷积升维，在倒残差结构中正好相反，是1x1卷积升维->3x3DW卷积->1x1卷积降维。为什么要这样做，原文的解释是高维信息通过ReLU激活函数后丢失的信息更少（注意倒残差结构中基本使用的都是ReLU6激活函数，但是最后一个1x1的卷积层使用的是线性激活函数）。

在使用倒残差结构时需要注意下，并不是所有的倒残差结构都有shortcut连接，只有当stride=1且输入特征矩阵与输出特征矩阵shape相同时才有shortcut连接（只有当shape相同时，两个矩阵才能做加法运算，当stride=1时并不能保证输入特征矩阵的channel与输出特征矩阵的channel相同）。
MobileNet v2网络的结构表，其中t代表的是扩展因子（倒残差结构中第一个1x1卷积的扩展因子），c代表输出特征矩阵的channel，n代表倒残差结构重复的次数，s代表步距（注意：这里的步距只是针对重复n次的第一层倒残差结构，后面的都默认为1）。

实验结果：

Object Detection

SSDLite

目标检测方面，作者首先提出了SSDLite。就是对SSD结构做了修改，将SSD的预测层中所有标准卷积替换为深度可分离卷积。作者说这样参数量和计算成本大大降低，计算更高效

MobileNet v3

1）加入了注意力机制（SE模块）

主要的操作是针对输出的特征矩阵的每一个channel进行池化处理，所得到的向量个数就是channel的个数。然后再通过两个全连接层，得到我们输出的向量。其中，第一个全连接层的向量个数是channel个数的四分之一，然后第二个全连接层的输出与channel个数相同。而且，这两个全连接的所使用的的激活函数是不一样的。前一个使用的ReLu激活函数，后一个使用h-swish激活函数。

对得到的每个channel进行池化，假设输出的特征矩阵的channel是为2的，进行平均池化得到一个元素个数为2的向量，依次经过两个全连接层，所得到的的这个向量可以理解为对刚刚输入的每一个channel分析出了一个权重关系。也就是如果他觉得比较重要的channel就会赋予一个比较大的权重，而如果是没有那么重要的channel就会赋予一个比较小的权重。

2）h-swish激活函数
swish非线性激活函数作为ReLU的替代，可以可以显着提高神经网络的准确性，其定义如下：

尽管这种非线性提高了准确性，但在嵌入式环境中却带来了非零成本，因为S型函数在移动设备上的计算成本更高。主要是计算、求导复杂，
对量化过程不友好。

激活函数h-swish

swish

h-swish是基于swish的改进

swish论文的作者认为，Swish具备无上界有下界、平滑、非单调的特性。并且Swish在深层模型上的效果优于ReLU。仅仅使用Swish单元替换ReLU就能把MobileNet,NASNetA在 ImageNet上的top-1分类准确率提高0.9%，Inception-ResNet-v的分类准确率提高0.6%。

V3也利用swish当作为ReLU的替代时，它可以显著提高神经网络的精度。但是呢，作者认为这种非线性激活函数虽然提高了精度，但在嵌入式环境中，是有不少的成本的。原因就是在移动设备上计算sigmoid函数是非常明智的选择。所以提出了h-swish。

h-swish

sigmoid激活函数：

swish激活函数：

ReLU6激活函数：就是在relu的基础上加了一个上限6

可以用一个近似函数来逼急这个swish，让swish变得硬(hard)。作者选择的是基于ReLU6，作者认为几乎所有的软件和硬件框架上都可以使用ReLU6的优化实现。其次，它能在特定模式下消除了由于近似sigmoid的不同实现而带来的潜在的数值精度损失。

下图是Sigmoid和swish的hard、soft形式：

我们可以简单的认为，hard形式是soft形式的低精度化。作者认为swish的表现和其他非线性相比，能够将过滤器的数量减少到16个的同时保持与使用ReLU或swish的32个过滤器相同的精度，这节省了3毫秒的时间和1000万MAdds的计算量。

并且同时，作者认为随着网络的深入，应用非线性激活函数的成本会降低，能够更好的减少参数量。作者发现swish的大多数好处都是通过在更深的层中使用它们实现的。因此，在V3的架构中，只在模型的后半部分使用h-swish(HS)。

3）重新设计耗时层结构

减少第一个卷积层的卷积核个数  (32->16):原论文作者发现将卷积的filters的个数从32变成16之后准确率是一样的，使用更少的卷积核更节省计算时间。

精简last stage:

当前基于MobileNetV2的倒置瓶颈结构和变体的模型使用1x1卷积作为最后一层，以便扩展到更高维度的特征空间。为了具有丰富的预测特征，这一层至关重要。 但是，这要付出额外的计算和延时。为了在保留高维特征的前提下减小延时，将平均池化前的层移除并用1*1卷积来计算特征图。特征生成层被移除后，先前用于瓶颈映射的层也不再需要了，这将为减少7ms的开销，在提速11%的同时减小了30m的操作数。

4）头部channel数量改变
当前的MobilenetV2开始使用32个 3 * 3的滤波器，作者发现使用h-swish激活函数相比于使用sigmoid和swish函数，可以在保持精度不减的情况下，将channel降低到16个，并且提速2ms。
给出MobilenetV2和MobilenetV3的结构如下，重点关注前面的通道数 32/16。

MobileNetV3定义了两个模型: MobileNetV3-Large和MobileNetV3-Small。V3-Large是针对高资源情况下的使用，相应的，V3-small就是针对低资源情况下的使用

网络结构搜索NAS

主要结合两种技术：资源受限的NAS（platform-aware NAS）与NetAdapt。

资源受限的NAS，用于在计算和参数量受限的前提下搜索网络来优化各个块（block），所以称之为模块级搜索（Block-wise Search） 。

NetAdapt，用于对各个模块确定之后网络层的微调每一层的卷积核数量，所以称之为层级搜索（Layer-wise Search）。

一旦通过体系结构搜索找到模型，我们就会发现最后一些层以及一些早期层计算代价比较高昂。于是作者决定对这些架构进行一些修改，以减少这些慢层(slow layers)的延迟，同时保持准确性。这些修改显然超出了当前搜索的范围。