RegNet网络结构与搭建

前言

原论文名称：Designing Network Design Spaces
原论文下载地址：https://arxiv.org/abs/2003.13678.pdf
论文中提供的源码： https://github.com/facebookresearch/pycls
自己使用Pytorch实现的RegNet代码： Test10_regnet/model.py

近些年来，NAS（Neural Architecture Search）网络搜索技术非常火，但这对计算资源要求也比较高（都是大厂玩的东西）。包括这篇论文中的RegNet也有使用到NAS技术。但在论文中作者一再强调这篇论文与之前的一些NAS论文不同（例如MobileNetv3，EfficientNet），之前的一些有关NAS的论文都是在给定的设计空间（designed search space）中通过搜索算法去搜索出一组最佳参数组合。但在这篇论文中作者要探究的是如何去设计设计空间（design design spaces）并发现一些网络的通用设计准则（network design principles），而不是仅仅去搜索出一组参数。原论文中有这么一段话：

The majority of work in NAS focuses on the search algorithm, i.e., efficiently finding the best network instances within a fixed, manually designed search space (which we call a design space). Instead, our focus is on a paradigm for designing novel design spaces. The two are complementary: better design spaces can improve the efficiency of NAS search algorithms and also lead to existence of better models by enriching the design space.

那RegNet的性能到底如何呢，参考原论文给出的一些指标：

• 在轻量级网络领域，低FLOPs的RegNet模型也能达到很好的效果，和MobileNetV2以及ShuffleNetV2性能有的一比。
  
• 与当时分类网络的天花板EfficientNet对比，可以看到RegNetY-8.0GF的错误率比EfficientNet-B5更低，且推理速度(infer)快五倍。
  

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设计设计空间

这篇论文中的主要内容基本都是在讲，如何从一个给定的原始设计空间AnyNet一步步探索出最终的RegNet空间。如下图所示，从最开始的设计空间A到设计空间B再到设计空间C，随着加入的限制越来越多搜索范围越来越小，通过右侧的error-cumulative prob.曲线可以看出，设计空间B内的模型效果总体是要好于设计空间A，而设计空间C内的模型效果总体是要好于设计空间B。这就是这篇论文在探索的事情。如果不想看论文中的设计过程，可以直接跳到后面的网络结构解析部分。

AnyNet Design Space

AnyNet设计空间是这篇论文中提出的最原始的设计空间，如下图所示：
在该设计空间中，网络的主体就是由三部分组成（stem，body，head）。其中stem和head是固定不变的，stem就是一个普通的卷积层（默认包含bn以及relu），卷积核大小为3x3，步距为2，卷积核个数为32，head就是分类网络中常见的分类器，由一个全局平均池化层和全连接层构成。所以网络中最主要的就是body部分，body是由4个stage堆叠组成，而stage是由一系列block堆叠组成。但block的详细结构以及参数并没有做任何限制，这就是AnyNet。

AnyNetX（A）Design Space

论文作者说，根据他们的经验将block设计为standard residual bottlenecks block with group convolution即带有组卷积的残差结构（和ResNext的block类似），如下图所示，左图为block的stride=1的情况，右图为block的stride=2的情况：
由图可知，主分支都是一个1x1的卷积（包括bn和relu）、一个3x3的group卷积（包括bn和relu）、再接一个1x1的卷积（包括bn）。shortcut捷径分支上当stride=1时不做任何处理，当stride=2时通过一个1x1的卷积（包括bn）进行下采样。图中的r代表分辨率简单理解为特征矩阵的高、宽，当步距s等于1时，输入输出的r保持不变，当s等于2时，输出的r为输入的一半。w代表特征矩阵的channel（注意当s=2时，输入的是$w_{i-1}$输出的是$w_i$即chennel会发生变化）。g代表group卷积中每个group的group width，b代表bottleneck ratio即输出特征矩阵的channel缩减为输入特征矩阵channel的$\frac{1}{b}$.
此时就从AnyNet的设计空间缩小到AnyNetX空间了，该空间也称为$AnyNet{X}_A$。此时的设计空间依旧很大，接着论文中说为了获得有效的模型，又加了些限制：$d_i\le 16$（有16种可能）, $w_i\le 1024$且取8的整数倍（有128种可能），$b_i\in \left\{1,2,4\right\}$（有3种可能）, $g_i\in \left\{1,2,4,8,16,32\right\}$（有6种可能），其中$d_i$表示stage中重复block的次数，由于body中由4个stage组成。那么现在还有大约$10^{18}$种模型配置参数（想要在这么大的空间去搜索基本不可能）：
$$(16\cdot 128\cdot 3\cdot 6{)}^4\approx 10^{18}$$

AnyNetX（B）Design Space

接着作者又尝试将所有stage中的block的$b_i$都设置为同一个参数$b$（shared bottleneck ratio），此时的设计空间记为$AnyNet{X}_B$，然后在$AnyNet{X}_A$和$AnyNet{X}_B$中通过log-uniform sampling采样方法分别采样500的模型，并在imagenet上训练10个epochs，绘制的error-cumulative prob.对比如下图所示：
通过上图可以发现，将所有stage中的block的$b_i$都设置为同一个参数$b$（shared bottleneck ratio）后并没有什么明显的变化。

AnyNetX（C）Design Space

接着作者又尝试将所有stage中的block的$g_i$都设置为同一个参数$g$（shared group width），此时的设计空间记为$AnyNet{X}_C$，和之前同样采样500个模型样本并进行训练接着与$AnyNet{X}_B$进行比较，如下图所示：

通过上图可以发现，将所有stage中的block的$g_i$都设置为同一个参数$g$（shared group width）后并没有什么明显的变化。并且作者发现了一个有趣的现象当$g>1$时，效果会更好。

AnyNetX（D）Design Space

作者进一步分析了$AnyNet{X}_C$空间中效果好的模型以及效果差的模型，发现在好的模型中$w_i$是呈现递增的趋势。如下图所示，第一行是效果好的模型$w_i$的变化趋势，第二行是效果差的模型$w_i$的变化趋势：

然后在$AnyNet{X}_C$空间的基础上加上$w_{i+1}\ge w_i$限制得到$AnyNet{X}_D$空间。下图展示了不对$w_i$做限制以及对$w_i$做不同限制的对比，明显加上$w_{i+1}\ge w_i$限制后效果更好：

AnyNetX（E）Design Space

作者在$AnyNet{X}_D$空间中进一步分析，发现对于好的模型$d_i$同样有递增的趋势（注意，这个趋势仅指stage1到stage3，不包括stage4）. 然后在$AnyNet{X}_D$空间基础上加上$d_{i+1}\ge d_i$的限制得到$AnyNet{X}_E$空间。下图展示了不对$d_i$做限制以及对$d_i$做不同限制的对比，可以发现加上$d_{i+1}\ge d_i$限制后效果更好：

RegNet Design Space

如下图所示，作者在$AnyNet{X}_E$空间采样的一系列模型中选取了Top-20，并绘制了他们每个block输出特征矩阵的width变化趋势。图中每一条灰色实线就代表一个模型。图中的黑色实线是作者通过一个线性函数来拟合的（注意图中的纵坐标刻度不是线性的，所以黑色的实线看着是一条曲线）。
$$w_j=48\cdot (j+1)\mathrm{f}\mathrm{o}\mathrm{r}0\le j\le 20$$
刚刚提到作者是用一个线性函数来拟合的，也就是说每个block的width都是不一样的，但在我们实际搭建网络过程中，每个stage中的所有block的width应该是一样的，即应该是分段常数函数形式（piecewise constant function）。所以接下来的工作就是去想办法获得这个分段常数函数（To see if a similar pattern applies to individual models, we need a strategy to quantize a line to a piecewise constant function.）。接下来就是作者给出的关于获取分段常数函数的流程：

• 首先引入一个线性参数化函数，其中$j$为block的索引，$d$为block的总数量论文中称depth，初始化$w_0>0$（线性函数中的$y=ax+b$的$b$），斜率$w_a>0$，$u_j$为对应block的width：
  $$u_j=w_0+w_a\cdot j\mathrm{f}\mathrm{o}\mathrm{r}0\le j<d(2)$$

• 为了量化$u_j$，作者引入了一个新的参数$w_m>0$，根据下面的公式(3)以及上面的公式(2)可以计算得到每个$u_j$对应的$s_j$：
  $$u_j=w_0\cdot w_m^{s_j}(3)$$

• 接着将上一步计算得到的每个$u_j$对应的$s_j$进行四舍五入（记为$\lceil s_j\rfloor$），并根据下面的公式(4)可以得到量化后的$w_j$：
  $$w_j=w_0\cdot w_m^{\lceil s_j\rfloor }(4)$$

• 其实在源码实现中还有两个小细节，一个是将刚刚计算得到的$w_j$给调整到离他最近的8的整数倍。还有一个是会根据传入的参数$g$（Group Conv中每个group的group width）进一步调整，将$w_j$给调整到离他最近的$g$的整数倍（详情可看下源码）。

通过上面公式我们就能对每个block的width进行量化，量化后相同的width就属于同一stage，如下图所示，作者也说了，该论文只讨论stage的个数4的情况，所以使用论文中给的参数计算得到的stage数肯定等于4：

通过以上分析，我们在$AnyNet{X}_E$空间基础上指定$d,w_0,w_a,w_m,b,g$的值（通过上面的公式(2)-(4)可以得到block的width和depths），那么整个网络的结构就固定了。所以作者称在$AnyNet{X}_E$空间基础上使用$d,w_0,w_a,w_m,b,g$这6个自由变量来控制网络结构的空间为RegNet空间。接着我们再看论文中的一张表，下表展示了从$AnyNet{X}_a$到$RegNet$空间的变化过程（记录了限制条件，自由度以及空间内所有可能的组合的数）：

后面还有一些内容，大家可以去看下原论文，这里就不在赘述了。对于论文中给的每个网络的$d,w_0,w_a,w_m,b,g$参数在RegNetX/Y模型详细参数章节有给出，可通过本文目录跳转至相应章节。

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RegNet网络结构详解

RegNet结构框架

首先看下下面这幅图，这幅图是原论文中给出的General Network structure，Regnet的框架结构也是一样的。

（a）图中展示了网络主要由三部分组成，stem、body和head。

• 其中stem就是一个普通的卷积层（默认包含bn以及relu），卷积核大小为3x3，步距为2，卷积核个数为32.
• 其中body就是由4个stage堆叠组成，如图（b）所示。每经过一个stage都会将输入特征矩阵的height和width缩减为原来的一半。而每个stage又是由一系列block堆叠组成，每个stage的第一个block中存在步距为2的组卷积（主分支上）和普通卷积（捷径分支上），剩下的block中的卷积步距都是1，和ResNet类似。
• 其中head就是分类网络中常见的分类器，由一个全局平均池化层和全连接层构成。

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RegNet block详解

接下来再看下论文中关于block的结构图，（a）图为步距stride=1的情况，（b）图是步距stride=2的情况。

通过上图可知，文中的block和ResNext网络中的block基本一致。主分支都是一个1x1的卷积（包括bn和relu）、一个3x3的group卷积（包括bn和relu）、再接一个1x1的卷积（包括bn）。shortcut捷径分支上当stride=1时不做任何处理，当stride=2时通过一个1x1的卷积（包括bn）进行下采样。图中的r代表分辨率简单理解为特征矩阵的高、宽，当步距s等于1时，输入输出的r保持不变，当s等于2时，输出的r为输入的一半。w代表特征矩阵的channel（注意当s=2时，输入的是$w_{i-1}$输出的是$w_i$即chennel会发生变化）。g代表group卷积中每个group的group width，b代表bottleneck ratio即输出特征矩阵的channel缩减为输入特征矩阵channel的$\frac{1}{b}$.
而在论文章节四中，作者给出了一个结论：

We also observe that the best models use a bottleneck ratio b of 1.0 (top-middle), which effectively removes the bottleneck (commonly used in practice).

就是说当b取1时效果最好（感觉和ShuffleNetV2中G1准则相似）。下面这副图是我重绘的，比原图要更清楚点。

这里还要注意一点，论文中有RegNetX和RegNetY，两者的区别仅在于RegNetY在block中的Group Conv后接了个SE（Squeeze-and-Excitation）模块。 自从SENet的提出，近些年的网络基本都会使用SE模块。在RegNet中的SE模块与EfficientNet中的SE模块类似。如下图所示，SE模块一般是由一个全局平均池化层和两个全连接层组成。在RegNet中，全连接层1（FC1）的节点个数是等于输入该block的特征矩阵channel的四分之一（不是Group Conv输出特征矩阵channal的四分之一），并且激活函数是ReLU。全连接层2（FC2）的节点个数是等于Group Conv输出特征矩阵的channal，并且激活函数是Sigmoid。

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RegNetX模型详细参数

下图为论文中给出的不同FLOPs下的RegNetX模型详细参数。搭建网络我们仅需使用$d_i$，$w_i$，$g$这三个参数，加上刚刚讲的内容就能搭建网络了（$b$参数都是1）。其中$d_i$代表每个stage重复block的次数（前面说了body都是由4个stage堆叠组成的，所以$d_i$中都是4个元素）。$w_i$代表每个stage输出特征矩阵的channel。$g$代表block中Group Conv每个group的group width。
至于$w_a$，$w_0$，$w_m$这三个参数是用来计算$d_i$，$w_i$这两个参数的（在上文RegNet Design Space章节有讲，有兴趣的可以看下），在源码实现中都是通过$w_a$，$w_0$，$w_m$来计算$d_i$，$w_i$的。但如果嫌麻烦，可以直接使用图中标注好的$d_i$，$w_i$参数。

下表展示了RegNetX这一系列网络在ImegeNet上训练100epoch后的top-1 error。

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RegNetY模型详细参数

下图为论文中给出的不同FLOPs下的RegNetY模型详细参数（刚刚也说了，RegNetY和RegNetX在结构上的唯一不同就是在Group Conv后加上了Squeeze-and-Excitation模块）。同样我们仅需使用$d_i$，$w_i$，$g$这三个参数即可搭建出网络。其中$d_i$代表每个stage重复block的次数。$w_i$代表每个stage输出特征矩阵的channel。$g$代表block中Group Conv每个group的group width。

下表展示了RegNetY这一系列网络在ImegeNet上训练100epoch后的top-1 error。