【轻量级网络】ShuffleNetV1 和 ShuffleNetV2

目录

一、ShuffleNet(2017年)

1. ShuffleNet的亮点

2 .ShuffleNet网络结构

2.1 Group ResNet Block

2.2 分组数g的作用

​ 3. ShuffleNet网络性能

1）不同参数下的精度对比

 2）有无channle shuffle的性能对比

 3） ShuffleNet与MobileNet的精度对比

二、ShuffleNetv2(ECCV2018)

设计理念

二、ShuffleNetv2网络结构

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一、ShuffleNet(2017年)

1. ShuffleNet的亮点

• 结合Group convolutions和Channel Shuffle

        group conv的问题：现在的精简CNN网络设计中使用Group convolutions已经成为一种趋势，它可有效地减少传统CNN所需的密集计算的运算量。但同时由于Groups之间彼此并不share feature map特征，这样就会导致每个filter只对限定的一部分输入特征可见，最终使得输出特征集合的表达能力大大降低。

        本文改进点：为了有效地对冲Groups convolution使用导致的Groups间特征互不相通的负面影响，作者提出了对Group convolution计算后对输出的output feature maps进行shuffle处理，以使得接下来的Group convolution filters可在每个group所输出的部分channels构成的集合上进行计算。

(a)普通group卷积.(c)group卷积+shuffle操作

        如图1-a所示，其中GConv是group convolution，这里分组数是3。可以看到当堆积GConv层后一个问题是不同组之间的特征图是不通信的，这就好像分了三个互不相干的路，大家各走各的，这目测会降低网络的特征提取能力。这样你也可以理解为什么Xception，MobileNet等网络采用密集的1x1卷积，因为要保证group convolution之后不同组的特征图之间的信息交流。但是达到上面那个目的，我们不一定非要采用dense pointwise convolution。如图1-b所示，你可以对group convolution之后的特征图进行“重组”，这样可以保证接下了采用的group convolution其输入来自不同的组，因此信息可以在不同组之间流转。这个操作等价于图2-c，即group convolution之后对channels进行shuffle，但并不是随机的，其实是“均匀地打乱”。

        在程序上实现channel shuffle是非常容易的：假定将输入层分为 g 组，总通道数为 n ，首先你将通道那个维度拆分为(g, n) 两个维度，然后将这两个维度转置变成（n, g），最后重新reshape成一个维度。仅需要简单的维度操作和转置就可以实现均匀的shuffle。利用channel shuffle就可以充分发挥group convolution的优点，而避免其缺点。

2 .ShuffleNet网络结构

2.1 Group ResNet Block

ShuffleNet的基本单元是在一个残差单元的基础上改进而成的。

• 原始Resnet block：如图2-a所示，这是一个包含3层的残差单元：首先是1x1卷积，然后是3x3的depthwise convolution（DWConv，主要是为了降低计算量），这里的3x3卷积是瓶颈层（bottleneck），紧接着是1x1卷积，最后是一个短路连接，将输入直接加到输出上。
• 改进的group Resnet block：将密集的1x1卷积替换成1x1的group convolution，不过在第一个1x1卷积之后增加了一个channel shuffle操作。值得注意的是3x3卷积后面没有增加channel shuffle，按paper的意思，对于这样一个残差单元，一个channel shuffle操作是足够了。还有就是3x3的depthwise convolution之后没有使用ReLU激活函数。改进之后如图2-b所示。对于残差单元，如果stride=1时，此时输入与输出shape一致可以直接相加，
• 改进的group Resnet block(stride=2)：当stride=2时，通道数增加，而特征图大小减小，此时输入与输出不匹配。一般情况下可以采用一个1x1卷积将输入映射成和输出一样的shape。但是在ShuffleNet中，却采用了不一样的策略，如图2-c所示：对原输入采用stride=2的3x3 avg pool，这样得到和输出一样大小的特征图，然后将得到特征图与输出进行连接(concat)，而不是相加(add)。这样做的目的主要是降低计算量与参数大小。

(a)原始resnet block；(b)采用group卷积改进后的结构;(c)有下采样的gruop Resnet结构

2.2 分组数g的作用

        如下表所示，参数 g 控制了group convolution中的分组数，分组越多，在相同计算资源下，可以使用更多的通道数，所以 g 越大时，采用了更多的卷积核。这里给个例子，当 g=3 时，对于第一阶段的第一个基本单元，其输入通道数为24，输出通道数为240，但是其stride=2，那么由于原输入通过avg pool可以贡献24个通道，所以相当于左支只需要产生240-24=216通道，中间瓶颈层的通道数就为216/4=54。其他的可以以此类推。当完成三阶段后，采用global pool将特征图大小降为1x1，最后是输出类别预测值的全连接层。

3. ShuffleNet网络性能

1）不同参数下的精度对比

        表2给出了采用不同的 g 值的ShuffleNet在ImageNet上的实验结果。基本上当 g 越大时，效果越好，这是因为采用更多的分组后，在相同的计算约束下可以使用更多的通道数，或者说特征图数量增加，网络的特征提取能力增强，网络性能得到提升。注意Shuffle 1x是基准模型，而0.5x和0.25x表示的是在基准模型上将通道数缩小为原来的0.5和0.25。

 2）有无channle shuffle的性能对比

        下表对比了不采用channle shuffle和采用之后的网络性能，如表3所示，采用channle shuffle之后，网络性能更好，从而证明channle shuffle的有效性。        

 3） ShuffleNet与MobileNet的精度对比

        ShuffleNet与MobileNet的对比，如表4所示。可以看到ShuffleNet不仅计算复杂度更低，而且精度更好。

参考链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/32304419

二、ShuffleNetv2(ECCV2018)

创新点：针对ShuffleNetV1中的一些内存不友好操作进行了改进（输入输出维度不一致,分组卷积数过多）。

设计理念

        存在的问题：目前衡量模型复杂度的一个通用指标是FLOPs，具体指的是multiply-add数量，但是这却是一个间接指标，因为它不完全等同于速度。如图1中的（c）和（d），可以看到相同FLOPs的两个模型，其速度却存在差异。这种不一致主要归结为两个原因，首先影响速度的不仅仅是FLOPs，如内存使用量(memory access cost, MAC)，这不能忽略，对于GPUs来说可能会是瓶颈。另外模型的并行程度也影响速度，并行度高的模型速度相对更快。另外一个原因，模型在不同平台上的运行速度是有差异的，如GPU和ARM，而且采用不同的库也会有影响。

        实验分析：根据上面的问题，作者在特定的平台下研究ShuffleNetv1和MobileNetv2的运行时间，并结合理论与实验得到了4条实用的指导原则：

• G1）输入输出通道相同时内存访问量最小

        对于轻量级CNN网络，常采用深度可分割卷积（depthwise separable convolutions），其中点卷积（ pointwise convolution）即1x1卷积复杂度最大。这里假定输入和输出特征的通道数分别为 和 c2 ，特征图的空间大小为 h*w，那么1x1卷积的FLOPs为 。对应的MAC为 （这里假定内存足够），根据均值不等式，固定 时，MAC存在下限（令 ）：

        仅当 c1 = c2 时，MAC取最小值，这个理论分析也通过实验得到证实，如表1所示，输入输出通道比为1:1时速度更快。

• G2）过量使用组卷积会增加MAC

        组卷积（group convolution）是常用的设计组件，因为它可以减少复杂度却不损失模型容量。但是这里发现，分组过多会增加MAC。对于组卷积，FLOPs为 （其中 g 是组数），而对应的MAC为 。如果固定输入以及 ，那么MAC为：

可以看到，当 增加时，MAC会同时增加。这点也通过实验证实，所以明智之举是不要使用太大 的组卷积。

• G3）网络碎片化会降低并行度

        一些网络如Inception，以及Auto ML自动产生的网络NASNET-A，它们倾向于采用“多路”结构，即存在一个block中很多不同的小卷积或者pooling，这很容易造成网络碎片化，减低模型的并行度，相应速度会慢，这也可以通过实验得到证明。

• G4）不能忽略元素级操作

        对于元素级（element-wise operators）比如ReLU和Add，虽然它们的FLOPs较小，但是却需要较大的MAC。这里实验发现如果将ResNet中残差单元中的ReLU和shortcut移除的话，速度有20%的提升。

基于上面4条指导准则总结如下：

• 1x1卷积进行平衡输入和输出的通道大小；
• 组卷积要谨慎使用，注意分组数；
• 避免网络的碎片化；
• 减少元素级运算。

二、ShuffleNetv2网络结构

ShuffleNet两个版本结构上的对比

ShuffleNetV1结构的问题：

        如上图(a)(b)在ShuffleNetv1的模块中，大量使用了1x1组卷积，这违背了G2原则，另外v1采用了类似ResNet中的瓶颈层（bottleneck layer），输入和输出通道数不同，这违背了G1原则。同时使用过多的组，也违背了G3原则。短路连接中存在大量的元素级Add运算，这违背了G4原则。

ShuffleNetV2改进：

        为了改善v1的缺陷，v2版本引入了一种新的运算：channel split。具体来说，在开始时先将输入特征图在通道维度分成两个分支：通道数分别为和 ，实际实现时  。左边分支做同等映射，右边的分支包含3个连续的卷积，并且输入和输出通道相同，这符合G1。而且两个1x1卷积不再是组卷积，这符合G2，另外两个分支相当于已经分成两组。两个分支的输出不再是Add元素，而是concat在一起，紧接着是对两个分支concat结果进行channle shuffle，以保证两个分支信息交流。其实concat和channel shuffle可以和下一个模块单元的channel split合成一个元素级运算，这符合原则G4。

        对于下采样模块，不再有channel split，而是每个分支都是直接copy一份输入，每个分支都有stride=2的下采样，最后concat在一起后，特征图空间大小减半，但是通道数翻倍。

        ShuffleNetv2的整体结构如表2所示，基本与v1类似，其中设定每个block的channel数，如0.5x，1x，可以调整模型的复杂度。

最终精度指标：

 

        可以看到，在同等条件下，ShuffleNetv2相比其他模型速度稍快，而且准确度也稍好一点。同时作者还设计了大的ShuffleNetv2网络，相比ResNet结构，其效果照样具有竞争力。

        从一定程度上说，ShuffleNetv2借鉴了DenseNet网络，把shortcut结构从Add换成了Concat，这实现了特征重用。但是不同于DenseNet，v2并不是密集地concat，而且concat之后有channel shuffle以混合特征，这或许是v2即快又好的一个重要原因。