轻量级卷积神经网络的设计技巧
作者 | zhouyuangan 来源 | CVer
这篇文章将从一个证件检测网络(Retinanet)的轻量化谈起，简洁地介绍，我在实操中使用到的设计原则和idea，并贴出相关的参考资料和成果供读者参考。因此本文是一篇注重工程性、总结个人观点的文章，存在不恰当的地方，请读者在评论区指出，方便交流。
目前已有的轻量网络有：MobileNet V2和ShuffleNet v2为代表。在实际业务中，Retinanet仅需要检测证件，不涉及过多的类别物体的定位和分类，因此，我认为仅仅更换上述两个骨架网络来优化模型的性能是不够的，需要针对证件检测任务，专门设计一个更加轻量的卷积神经网络来提取、糅合特征。
设计原则：
1. 更多的数据
轻量的浅层网络特征提取能力不如深度网络，训练也更需要技巧。假设保证有足够多的训练的数据，轻量网络训练会更加容易。
Facebook研究院的一篇论文[1]提出了“数据蒸馏”的方法。实际上，标注数据相对未知数据较少，我使用已经训练好、效果达标的base resnet50的retinanet来进行自动标注，得到一批10万张机器标注的数据。这为后来的轻量网络设计奠定了数据基础。我认为这是构建一个轻量网络必要的条件之一，网络结构的有效性验证离不开大量的实验结果来评估。
接下来，这一部分我将简洁地介绍轻量CNN地设计的四个原则
2. 卷积层的输入、输出channels数目相同时，计算需要的MAC(memory access cost)最少
3. 过多的分组卷积会增加MAC
对于1x1的分组卷积（例如：MobileNetv2的深度可分离卷积采用了分组卷积），其MAC和FLOPS的关系为：
g代表分组卷积数量，很明显g越大，MAC越大。详细参考[2]
4. 网络结构的碎片化会减少可并行计算
这些碎片化更多是指网络中的多路径连接，类似于short-cut，bottle neck等不同层特征融合，还有如FPN。拖慢并行的一个很主要因素是，运算快的模块总是要等待运算慢的模块执行完毕。
5. Element-wise操作会消耗较多的时间（也就是逐元素操作）
从表中第一行数据看出，当移除了ReLU和short-cut，大约提升了20%的速度。
以上是从此篇论文[2]中转译过来的设计原则，在实操中，这四条原则需要灵活使用。
根据以上几个原则进行网络的设计，可以将模型的参数量、访存量降低很大一部分。
接下来介绍一些自己总结的经验。
6. 网络的层数不宜过多
通常18层的网络属于深层网络，在设计时，应选择一个参考网络基线，我选择的是resnet18。由于Retinanet使用了FPN特征金字塔网络来融合各个不同尺度范围的特征，因此Retinanet仍然很“重”，需要尽可能压缩骨架网络的冗余，减少深度。
7. 首层卷积层用空洞卷积和深度可分离卷积替换
一个3x3，d=2的空洞卷积在感受野上，可以看作等效于5x5的卷积，提供比普通3x3的卷积更大的感受野，这在网络的浅层设计使用它有益。计算出网络各个层占有的MAC和参数量，将参数量和计算量“重”的卷积层替换成深度可分离卷积层，可以降低模型的参数量。
这里提供一个计算pytorch 模型的MAC和FLOPs的python packages[3]。
if __name__ == "__main__":
from ptflops import get_model_complexity_info
net = SNet(num_classes=1)
x = torch.Tensor(1, 3, 224, 224)
net.eval()
if torch.cuda.is_available():
net = net.cuda()
x = x.cuda()
with torch.cuda.device(0):
flops, params = get_model_complexity_info(net, (224, 224), print_per_layer_stat=True, as_strings=True, is_cuda=True)
print("FLOPS:", flops)
print("PARAMS:", params)
output:
(regressionModel): RegressionModel(
0.045 GMac, 27.305% MACs,
(conv1): Conv2d(0.009 GMac, 5.257% MACs, 128, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
(act1): ReLU(0.0 GMac, 0.041% MACs, )
(conv2): Conv2d(0.017 GMac, 10.472% MACs, 256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
(act2): ReLU(0.0 GMac, 0.041% MACs, )
(conv3): Conv2d(0.017 GMac, 10.472% MACs, 256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
(act3): ReLU(0.0 GMac, 0.041% MACs, )
(output): Conv2d(0.002 GMac, 0.982% MACs, 256, 24, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
)
(classificationModel): ClassificationModel(
0.044 GMac, 26.569% MACs,
(conv1): Conv2d(0.009 GMac, 5.257% MACs, 128, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
(act1): ReLU(0.0 GMac, 0.041% MACs, )
(conv2): Conv2d(0.017 GMac, 10.472% MACs, 256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
(act2): ReLU(0.0 GMac, 0.041% MACs, )
(conv3): Conv2d(0.017 GMac, 10.472% MACs, 256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
(act3): ReLU(0.0 GMac, 0.041% MACs, )
(output): Conv2d(0.0 GMac, 0.245% MACs, 256, 6, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
(output_act): Sigmoid(0.0 GMac, 0.000% MACs, )
)8. Group Normalization 替换 Batch Normalization
BN在诸多论文中已经被证明了一些缺陷，而训练目标检测网络耗费显存，开销巨大，通常冻结BN来训练，原因是小批次会让BN失效，影响训练的稳定性。建议一个BN的替代--GN，pytorch 0.4.1内置了GN的支持。
9. 减少不必要的shortcut连接和RELU层
网络不够深，没有必要使用shortcut连接，不必要的shortcut会增加计算量。RELU与shortcut一样都会增加计算量。同样RELU没有必要每一个卷积后连接（需要实际训练考虑删减RELU）。
10. 善用1x1卷积
1x1卷积可以改变通道数，而不改变特征图的空间分辨率，参数量低，计算效率也高。如使用kernel size=3，stride=1，padding=1，可以保证特征图的空间分辨率不变，1x1的卷积设置stride=1,padding=0达到相同的目的，而且1x1卷积运算的效率目前有很多底层算法支持，效率更高。[5x1] x [1x5] 两个卷积可以替换5x5卷积，同样可以减少模型参数。
11. 降低通道数
降低通道数可以减少特征图的输出大小，显存占用量下降明显。参考原则2
12. 设计一个新的骨架网络找对参考网络
一个好的骨架网络需要大量的实验来支撑它的验证，因此在工程上，参考一些实时网络结构设计自己的骨架网络，事半功倍。我在实践中，参考了这篇[4]paper的骨架来设计自己的轻量网络。
总结
我根据以上的原则和经验对Retinanet进行瘦身，不仅局限于骨架的新设计，FPN支路瘦身，两个子网络（回归网络和分类网络）均进行了修改，期望性能指标FPS提升到63，增幅180%。
FPS
mAP
Model size
注：本文中部分观点参考来源
1 https://towardsdatascience.com/types-of-convolutions-in-deep-learning-717013397f4d
2 The Receptive Field, the Effective RF, and how it s hurting your results
https://www.linkedin.com/pulse/receptive-field-effective-rf-how-its-hurting-your-rosenberg/
3 https://arxiv.org/abs/1807.11164
4 mp.weixin.qq.com/s?
参考
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Data Distillation Towards Omni-Supervised Learning
-
ShuffleNet V2: Practical Guidelines for Efficient CNN Architecture Design
-
https://github.com/zhouyuangan/flops-counter.pytorch
-
ThunderNet: TowardsReal-timeGenericObjectDetection