【轻量型卷积网络】MobileNet系列：MobileNet V3网络解析

【轻量型卷积网络】MobileNet系列：MobileNet V3网络解析

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1. 介绍

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1.1 关于v1和v2

• MobileNet-v1的主要思想就是深度可分离卷积，大大减少了参数量和计算量。可以参考 MobileNet V1网络解析。
  深度可分离卷积 可理解为 深度卷积 + 逐点卷积。
  • 深度卷积：深度卷积只处理长宽方向的空间信息；逐点卷积只处理跨通道方向的信息。能大大减少参数量，提高计算效率。 一个卷积核只处理一个通道，即每个卷积核只处理自己对应的通道。输入特征图有多少个通道就有多少个卷积核。将每个卷积核处理后的特征图堆叠在一起。输入和输出特征图的通道数相同。
  • 逐点卷积： 是使用1x1卷积对跨通道维度处理，有多少个1x1卷积核就会生成多少个特征图。用于跨通道扩充维度。

• MobileNet-v2 使用了逆转残差模块和最后一层采用线性层（而不是relu）。可以参考 MobileNet V2网络解析。
  • 输入图像，先使用1x1卷积提升通道数；然后在高维空间下使用深度卷积；再使用1x1卷积下降通道数，降维时采用线性激活函数(y=x)。当步长等于1且输入和输出特征图的shape相同时，使用残差连接输入和输出；当步长=2（下采样阶段）直接输出降维后的特征图。
  • 对比 ResNet 的残差结构。输入图像，先使用1x1卷积下降通道数；然后在低维空间下使用标准卷积，再使用1x1卷积上升通道数，激活函数都是ReLU函数。当步长等于1且输入和输出特征图的shape相同时，使用残差连接输入和输出；当步长=2（下采样阶段）直接输出降维后的特征图。

1.2 v3の介绍

相对于v2，主要有3个变化：

• block结构发生改变，在v2的bottleneck block里加入了Squeeze-and-Excitation block。
• 算法内部微结构变化，把部分relu6使用hard-swish替换，把全部sigmoid使用hard-sigmoid替换。
• 使用Platform-Aware Neural Architecture Search（NAS）来形成网络结构，并利用NetAdapt技术进一步筛选网络层结构。

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2. 模型

• 主要有以下改进：（1）添加SE注意力机制；（2）使用新的激活函数；（3）重新设计耗时层结构

2.1 添加SE注意力机制

• 先将特征图进行全局平均池化，特征图有多少个通道，那么池化结果（一维向量）就有多少个元素，[h, w, c]==>[None, c]。
• 然后经过两个全连接层得到输出向量。第一个全连接层的输出通道数等于原输入特征图的通道数的1/4；第二个全连接层的输出通道数等于原输入特征图的通道数。即先降维后升维。
• 全连接层的输出向量可理解为，向量的每个元素是对每张特征图进行分析得出的权重关系。比较重要的特征图就会赋予更大的权重，即该特征图对应的向量元素的值较大。反之，不太重要的特征图对应的权重值较小。
• 第一个全连接层使用ReLU激活函数，第二个全连接层使用 hard_sigmoid 激活函数。
• 经过两个全连接层得到一个由channel个元素组成的向量，每个元素是针对每个通道的权重，将权重和原特征图的对应相乘，得到新的特征图数据。

以下图为例，特征图经过两个全连接层之后，比较重要的特征图对应的向量元素的值就较大。将得到的权重和对应特征图中的所有元素相乘，得到新的输出特征图。

2.2 使用不同的激活函数

• swish激活函数公式为：$\frac{x}{e^{-x}}$，尽管提高了网络精度，但是它的计算、求导复杂，对量化过程不友好，尤其对移动端设备的计算。
• h_sigmoid激活函数公式为：$\frac{ReLU6(x+3)}{6}$，ReLU6激活函数公式为：$min(max(x,0),6)$
• h_swish激活函数公式为：$x\ast \frac{ReLU6(x+3)}{6}$，替换之后网络的推理速度加快，对量化过程比较友好。

2.3 重新设计耗时层结构

• 减少第一个卷积层的卷积核个数。将卷积核个数从32个降低到16个之后，准确率和降低之前是一样的。减少卷积核个数可以减少计算量，节省2ms时间。
• 简化最后的输出层。删除多余的卷积层，在准确率上没有变化，节省了7ms执行时间，这7ms占据了整个推理过程的11%的执行时间。明显提升计算速度。

2.4 总体流程

图像输入，先通过1x1卷积上升通道数；然后在高维空间下使用深度卷积；再经过SE注意力机制优化特征图数据；最后经过1x1卷积下降通道数（使用线性激活函数）。当步长等于1且输入和输出特征图的shape相同时，使用残差连接输入和输出；当步长=2（下采样阶段）直接输出降维后的特征图。

2.5 网络结构图

网络模型结构如图所示。exp size 代表11卷积上升的通道数；#out 代表11卷积下降的通道数，即输出特征图数量；SE 代表是否使用注意力机制；NL 代表使用哪种激活函数；s 代表步长；bneck 代表逆残差结构；NBN 代表不使用批标准化。

3. 参考

【1】https://blog.csdn.net/dgvv4/article/details/123476899