深度学习网络 inception v1-v4 解析（0） | 轻量级网络 mobilenet v1-v2
假设previous layer的大小为28*28*192，则，
a的weights大小，1*1*192*64+3*3*192*128+5*5*192*32=387072
a的输出featuremap大小，28*28*64+28*28*128+28*28*32+28*28*192=28*28*416
b的weights大小，1*1*192*64+(1*1*192*96+3*3*96*128)+(1*1*192*16+5*5*16*32)+1*1*192*32=163328
b的输出feature map大小，28*28*64+28*28*128+28*28*32+28*28*32=28*28*256
写到这里，不禁感慨天才般的1*1 conv，从上面的数据可以看出一方面减少了weights，另一方面降低了dimension。
Inception v1的亮点总结如下：
(1)卷积层共有的一个功能，可以实现通道方向的降维和增维，至于是降还是增，取决于卷积层的通道数（滤波器个数），在Inception v1中1*1卷积用于降维，减少weights大小和feature map维度。
(2)1*1卷积特有的功能，由于1*1卷积只有一个参数，相当于对原始feature map做了一个scale，并且这个scale还是训练学出来的，无疑会对识别精度有提升。
(3)增加了网络的深度
(4)增加了网络的宽度
(5)同时使用了1*1，3*3，5*5的卷积，增加了网络对尺度的适应性
下图为googlenet网络结构：
这里有2个地方需要注意：
(1)整个网络为了保证收敛，有3个loss
(2)最后一个全连接层之前使用的是global average pooling，全局pooling使用的好了，还是有好多地方可以发挥的。
v2:Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by ReducingInternal Covariate Shift
Inception v2的网络，代表作为加入了BN（Batch Normalization）层，并且使用2个3*3替代1个5*5卷积的改进版GoogleNet。
Inception v2的亮点总结如下：
(1)加入了BN层，减少了InternalCovariate Shift（内部neuron的数据分布发生变化），使每一层的输出都规范化到一个N(0, 1)的高斯，从而增加了模型的鲁棒性，可以以更大的学习速率训练，收敛更快，初始化操作更加随意，同时作为一种正则化技术，可以减少dropout层的使用。
(2)用2个连续的3*3 conv替代inception模块中的5*5，从而实现网络深度的增加，网络整体深度增加了9层，缺点就是增加了25%的weights和30%的计算消耗。
v3:Rethinking the InceptionArchitecture for Computer Vision
Inception v3网络，主要在v2的基础上，提出了卷积分解（Factorization），代表作是Inceptionv3版本的GoogleNet。
Inception v3的亮点总结如下：
(1) 将7*7分解成两个一维的卷积（1*7,7*1），3*3也是一样（1*3,3*1），这样的好处，既可以加速计算（多余的计算能力可以用来加深网络），又可以将1个conv拆成2个conv，使得网络深度进一步增加，增加了网络的非线性，更加精细设计了35*35/17*17/8*8的模块。
(2)增加网络宽度，网络输入从224*224变为了299*299。
v4:Inception-v4,Inception-ResNet and the Impact of Residual Connections on Learning
Inception v4主要利用残差连接（Residual Connection）来改进v3结构，代表作为，Inception-ResNet-v1，Inception-ResNet-v2，Inception-v4
resnet中的残差结构如下，这个结构设计的就很巧妙，简直神来之笔，使用原始层和经过2个卷基层的feature map做Eltwise。Inception-ResNet的改进就是使用上文的Inception module来替换resnet shortcut中的conv+1*1 conv。
Inception v4的亮点总结如下：
(1)将Inception模块和ResidualConnection结合，提出了Inception-ResNet-v1，Inception-ResNet-v2，使得训练加速收敛更快，精度更高。
ILSVRC-2012测试结果如下（single crop），
(2)设计了更深的Inception-v4版本，效果和Inception-ResNet-v2相当。
(3)网络输入大小和V3一样，还是299*299
Aggregated ResidualTransformations for Deep Neural Networks
这篇提出了resnet的升级版。ResNeXt，the next dimension的意思，因为文中提出了另外一种维度cardinality，和channel和space的维度不同，cardinality维度主要表示ResNeXt中module的个数，最终结论
（1）增大Cardinality比增大模型的width或者depth效果更好
（2）与 ResNet 相比，ResNeXt 参数更少，效果更好，结构更加简单，更方便设计
其中，左图为ResNet的一个module,右图为ResNeXt的一个module，是一种split-transform-merge的思想
Xception: DeepLearning with Depthwise Separable Convolutions
这篇文章主要在Inception V3的基础上提出了Xception（Extreme Inception），基本思想就是通道分离式卷积（depthwise separable convolution operation）。最终实现了
(1)模型参数有微量的减少，减少量很少，具体如下，
(2)精度较Inception V3有提高，ImageNET上的精度如下，
先说，卷积的操作，主要进行2种变换，
(1)spatial dimensions，空间变换
(2)channel dimension，通道变换
而Xception就是在这2个变换上做文章。Xception与Inception V3的区别如下：
(1)卷积操作顺序的区别
Inception V3是先做1*1的卷积，再做3*3的卷积，这样就先将通道进行了合并，即通道卷积，然后再进行空间卷积，而Xception则正好相反，先进行空间的3*3卷积，再进行通道的1*1卷积。
(2)RELU的有无
这个区别是最不一样的，Inception V3在每个module中都有RELU操作，而Xception在每个module中是没有RELU操作的。
MobileNets: EfficientConvolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications
MobileNets其实就是Exception思想的应用。区别就是Exception文章重点在提高精度，而MobileNets重点在压缩模型，同时保证精度。
depthwiseseparable convolutions的思想就是，分解一个标准的卷积为一个depthwise convolutions和一个pointwise convolution。简单理解就是矩阵的因式分解。
传统卷积和深度分离卷积的区别如下，
假设，输入的feature map大小为DF * DF，维度为M，滤波器的大小为DK * DK，维度为N，并且假设padding为1，stride为1。则，
原始的卷积操作，需要进行的矩阵运算次数为DK · DK · M · N · DF · DF，卷积核参数为DK · DK · N · M
depthwise separable convolutions需要进行的矩阵运算次数为DK · DK ·M · DF · DF + M · N · DF · DF，卷积核参数为DK · DK · M+N · M
由于卷积的过程，主要是一个spatial dimensions减少，channel dimension增加的过程，即N>M，所以，DK · DK · N · M> DK · DK · M+N · M。
因此，depthwiseseparable convolutions在模型大小上和模型计算量上都进行了大量的压缩，使得模型速度快，计算开销少，准确性好。如下图所示，其中，横轴MACS表示加法和乘法的计算量（Multiply-Accumulates），纵轴为准确性。
depthwise separable convolutions在caffe中，主要通过卷积层中group操作实现，base_line模型大小大概为16M。
mobileNet网络结构如下：
ShuffleNet: AnExtremely Efficient Convolutional Neural Network for Mobile Devices
这篇文章在mobileNet的基础上主要做了1点改进：
mobileNet只做了3*3卷积的deepwiseconvolution，而1*1的卷积还是传统的卷积方式，还存在大量冗余，ShuffleNet则在此基础上，将1*1卷积做了shuffle和group操作，实现了channel shuffle 和pointwise group convolution操作，最终使得速度和精度都比mobileNet有提升。
如下图所示，
(a)是原始的mobileNet的框架，各个group之间相互没有信息的交流。
(b)将feature map做了shuffle操作
(c)是经过channel shuffle之后的结果。
Shuffle的基本思路如下，假设输入2个group，输出5个group
| group 1 | group 2 |
| 1,2,3,4,5 |6,7,8,9,10 |
转化为矩阵为2*5的矩阵
1 2 3 4 5
6 7 8 9 10
转置矩阵，5*2矩阵
1 6
2 7
3 8
4 9
5 10
摊平矩阵
| group 1 | group 2 | group 3 | group 4 | group 5 |
| 1,6 |2,7 |3,8 |4,9 |5,10 |
ShuffleNet Units 的结构如下，
(a)是一个带depthwiseconvolution (DWConv)的bottleneck unit
(b)在(a)的基础上，进行了pointwisegroup convolution (GConv) and channel shuffle
(c)进行了AVG pooling和concat操作的最终ShuffleNetunit
MobileNetV2: Inverted Residuals and Linear Bottlenecks
主要贡献有2点：
1，提出了逆向的残差结构（Inverted residuals）
由于MobileNetV2版本使用了残差结构，和resnet的残差结构有异曲同工之妙，源于resnet，却和而不同。
由于Resnet没有使用depthwise conv,所以，在进入pointwise conv之前的特征通道数是比较多的，所以，残差模块中使用了0.25倍的降维。而MobileNet v2由于有depthwise conv，通道数相对较少，所以残差中使用 了6倍的升维。
总结起来，2点区别
（1）ResNet的残差结构是0.25倍降维，MobileNet V2残差结构是6倍升维
（2）ResNet的残差结构中3*3卷积为普通卷积，MobileNet V2中3*3卷积为depthwise conv
MobileNet v1，MobileNet v2 有2点区别：
（1）v2版本在进入3*3卷积之前，先进行了1*1pointwise conv升维，并且经过RELU。
（2）1*1卷积出去后，没有进行RELU操作
2，提出了线性瓶颈单元（linear bottlenecks）
Why no RELU？
首选看看RELU的功能。RELU可以将负值全部映射为0，具有高度非线性。下图为论文的测试。在维度比较低2,3的时候，使用RELU对信息的损失是比较严重的。而单维度比较高15,30时，信息的损失是比较少的。
MobileNet v2中为了保证信息不被大量损失，应此在残差模块中去掉最后一个的RELU。因此，也称为线性模块单元。
MobileNet v2网络结构：
其中，t表示通道的扩大系数expansion factor，c表示输出通道数，
n表示该单元重复次数，s表示滑动步长stride
其中bottleneck模块中，stride=1和stride=2的模块分别如上图所示，只有stride=1的模块才有残差结构。
结果：
MobileNet v2速度和准确性都优于MobileNet v1
references:
http://iamaaditya.github.io/2016/03/one-by-one-convolution/
https://github.com/soeaver/caffe-model
https://github.com/facebookresearch/ResNeXt
https://github.com/kwotsin/TensorFlow-Xception
https://github.com/shicai/MobileNet-Caffe https://github.com/shicai/MobileNet-Caffe
https://github.com/tensorflow/models/blob/master/slim/nets/mobilenet_v1.md
https://github.com/HolmesShuan/ShuffleNet-An-Extremely-Efficient-CNN-for-Mobile-Devices-Caffe-Reimplementation
https://github.com/camel007/Caffe-ShuffleNet
https://github.com/shicai/MobileNet-Caffe
https://github.com/chinakook/MobileNetV2.mxnet