华为又开始放大招了？CV新架构：VanillaNet: the Power of Minimalism in Deep Learning 论文阅读笔记

写在前面

  前两天在 VALSE 会议上，华为这篇文章吓我一跳，说实话这性能有点炸裂。看了下 Github 上面的表格，这个参数量随着层数的递增也是恐怖，但是推理速度真是远超前面的模型太多。

• 论文地址：VanillaNet: the Power of Minimalism in Deep Learning
• 代码地址：https://github.com/huawei-noah/VanillaNet
• 预训练模型地址：https://gitee.com/mindspore/models/tree/master/research/cv/vanillanet
• 预计投稿：24 年的某个顶会
• 其他微信文章解读：华为诺亚极简网络，靠13层就拿下83%精度（附源代码）
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一、Abstract

  纵观整个 Abstract，没啥具体内容，就是说本文提出的 VanillaNet 能够一手左勾拳 ResNet，右勾手 Swim-Transformer 等。主要原因在于避免了超深、捷径、自注意力机制的引入，也没有复杂的激活函数。

二、引言

  第一段浅谈 AI 的发展与作用，第二段从 AlexNet 的引入，ResNet 的后续，表明这模型啊，是越来越设计的复杂了，但同时性能也越来越好。第三段是 Transformer 的主场，仍然强调模型的深度。第四段是承上启下的转折，表明更深和更复杂的模型结构很难去部署了。第五段表明问题，扁平的网络会出现梯度消失问题，而一些深度网络的性能远超之前的 AlexNet、VGG，因而再有很少人关注模型结构的设计了。
  第六段引出话题，本文提出 VanillaNet，模型结构简单：去掉了模型的超深度、捷径分支、自注意力操作。相应地提出了一种训练策略，逐渐地消除非线性层，来保持推理速度。为了增强网络的非线性，提出基于 series 的激活函数，效果远超其他模型。最后来一句，VanillaNet 都这么强了，赶紧来 follow 我的工作吧。

三、单个 Vanilla 的神经结构

  大部分 SOTA 的分类模型由三个部分组成：stem 块将输入的 3 通道图像变为多通道，并伴随下采样，主要的 body 模块用于学习有用的信息，一个全连接层用于分类器的输出。body 模块有四个阶段，每个阶段由多个相同的 blocks 堆叠而成。每个阶段之后特征通道数量将会增加，而宽度和高度将会减小。
  下一段吐槽下 ResNet 和 ViT 整的太多太深了，而且 ViT 需要多个自注意力层。
  目前 AI 芯片的发展，当初制约的 FLOPs 或者参数量目前已不再是瓶颈了，因为老黄的 NVIDIA GPU 确实发展起来了。于是模型的复杂设计和更深的 blocks 成了制约速度的主要因素。于是本文提出 VanillaNet，如下图所示：

VanillaNet 仍然是三个阶段的设计，不同的是深度，每个阶段仅用一层来搭建。

  以 6 层的 VanillaNet 举个例子，stem：卷积层 $4\times 4\times 3\times C$，步长为 $4$，将 $3$ 层通道的输入图像映射到 $C$ 个通道上。在阶段 1，2，3 上，使用步长为 $2$ 的最大池化层来减小特征图的尺寸，而通道数量增加 $2$ 倍。在阶段 4，由于之后的平均池化而不增加通道数量。最后一层全连接层输出分类结果。每个卷积层的 kernel 尺寸都为 $1\times 1$，之后跟着一层激活层，同时也加了一层 Batch 归一化。这就是全部的结构了，没有捷径和额外的 blocks。
  由于 VanillaNet 相对简单且是个浅层网络，这弱化了模型的性能，于是提出一系列技术来增强其非线性。

四、训练 VanillaNet

4.1 深度训练策略

  训练两个卷积层加个激活层的策略不同于训练单个卷积层，需要随着训练 epoch 的增加，逐渐地减少激活函数。在训练结束时，两个卷积层就能融合成一个从而减少推理时间。
  对于一个激活函数 $A(x)$，例如 ReLU 和 Tanh，用一种独特的映射来组合：
$$A^{\prime }(x)=(1-\lambda )A(x)+\lambda x$$
其中 $\lambda$ 为平衡修改后的 $A^{\prime }(x)$ 激活函数的非线性超参数。令 $e$、$E$ 分别表示当前的 epoch 和总体的 epoch 数量，则 $\lambda =\frac{e}{E}$。于是在训练开始时，$e=0,A^{\prime }(x)=A(x)$，意味着模型有很强的非线性。随着训练收敛，最终有 $A^{\prime }(x)=x$，表明两个卷积层间没有激活函数了。

  接下来将每层 batch 归一化和后续的卷积变成单个卷积操作。

令 $W\in {\mathbb{R}}^{C_{out}\times (C_{in}\times k\times k)}$，$B\in {\mathbb{R}}^{C_{out}}$ 分别为卷积层的权重和偏置，输入 $C_{in}$ 个通道，输出 $C_{out}$ 个通道，卷积核尺寸为 $k$。batch 归一化的尺度、平移、平均、微分分别用 $\gamma ,\beta ,\mu ,\sigma \in {\mathbb{R}}^{C_{out}}$ 表示，于是 batch 归一化和卷积的融合操作可表示为：
$$W_i^{\prime }=\frac{{\gamma }_i}{{\sigma }_i}{W}_i,B_i^{\prime }=\frac{(B_i-{\mu }_i){\gamma }_i}{{\sigma }_i}+{\beta }_i$$其中下标 $i\in \{1,2,\dots ,C_{out}\}$ 表示第 $i$ 个通道的输出值。

  之后融合两个 $1\times 1$ 卷积。输入和输出特征分别表示为 $x\in {\mathbb{R}}^{C_{in}\times H\times W}$、$y\in {\mathbb{R}}^{C_{out}\times H^{\prime }\times W^{\prime }}$，于是卷积操作可表示为：
$$y=W\ast x=W\cdot \mathrm{im}2\mathrm{col}(x)=W\cdot X$$其中 $\ast$ 表示卷积操作，$\cdot$ 表示矩阵乘法，$X\in {\mathbb{R}}^{(C_{in}\times 1\times 1)(H^{\prime }\times W^{\prime })}$ 源于 $\text{im2col}$ 操作，将输入转化为对应于卷积核的形状。对于 $1\times 1$ 卷积来说，无需在重叠的部分上滑动卷积核（因为没有重叠部分）。于是将两个卷积层的权重矩阵表示为 $W^1$ 和 $W^2$，没有激活函数的两个卷积操作可表示为：
$$y=W^1\ast (W^2\ast x)=W^1\cdot W^2\cdot \text{im}2\text{col}(x)=(W^1\cdot W^2)\ast X$$至此，两个 $1\times 1$ 卷积顺利融合且并未降低推理速度。

4.2 Series Informed Activation Function

  目前一些主流的激活函数有 Rectified Linear Unit (ReLU) 及其变体 PReLU、GeLU、Swish，受限于简单和浅层网络的非线性，相较于深层网络，这些激活函数还没有被系统研究过。
  有两种方式来提升神经网络的非线性：堆叠非线性激活层或增加每层激活层的非线性，大多数的主流网络选择前者，这就使得在并行计算时会留有很高的潜力。
  其中一个直接的想法是去提高堆叠激活层的非线性能力，而一连串地堆叠激活层是深度网络的关键，相比之下，转向同时堆叠激活层是个不错的办法。将单层激活函数表示为 $A(x)$，其中 $x$ 为输入，该函数可以是 ReLU 和 Tanh。堆叠 $A(x)$ 可以表示为：
$$A_s(x)=\sum _{i=1}^n{a}_{i}A(x+b_i)$$其中 $n$ 表示堆叠激活函数的数量，$a_i$、$b_i$ 分别是激活函数的尺度和偏置。激活函数的非线性可通过同时堆叠而增强。
  为了进一步增强 Series 的近似能力，通过改变输入的邻居来改变输入，从而学习全局信息，类似于 BNET。具体来说，给定输入特征 $X\in {\mathbb{R}}^{H\times W\times C}$，其中 $H$、$W$、$C$ 分别是输入的宽、高、通道数量。于是激活函数塑造如下：
$$A_s(x_{h,w,c})=\sum _{i,j\in \{-n,n\}}{a}_{i,j,c}A(x_{i+h,j+w,c}+b_c)$$其中 $h\in \{1,2,\dots ,H\}$、$w\in \{1,2,\dots ,W\}$、$c\in \{1,2,\dots ,C\}$。当 $n=0$ 时，$A_s(x)=A(x)$。本文采用 ReLU 作为激活函数来构建 series。
  接下来分析其计算复杂度：对于一个有着卷积核尺寸为 $K$ 的卷积层，输入和输出通道数量分别为 $C_{in}$、$C_{out}$，计算复杂度为：
$$\mathcal{O}(\mathrm{CONV})=H\times W\times C_{in}\times C_{out}\times k^2$$而 series 激活层的成本为：
$$\mathcal{O}(\text{SA})=H\times W\times C_{in}\times n^2$$于是：
$$\frac{\mathcal{O}(\text{CONW})}{\mathcal{O}(\text{SA})}=\frac{H\times W\times C_{in}\times C_{out}\times K^2}{H\times W\times C_{in}\times n^2}=\frac{C_{out}\times k^2}{n^2}$$以 VanillaNet-B 中第 $4$ 个阶段为例，其中 $C_{out}=2048$，$k=1$，$n=7$，上式比例为 $84$。因此提出的激活层计算复杂度比卷积层低。

五、实验

  ImageNet 数据集。

5.1 消融实验

激活函数中 series 数量的影响

训练技巧的影响

捷径分支的影响

5.2 注意力的可视化

5.3 与 SOTA 架构的比较

5.4 COCO 数据集上的实验

六、结论

  本文研究了简单、浅层神经网络的可行性，为训练 VanillaNets 提出一种深度训练策略与 series 激活函数来增强模型的非线性。实验结果表明 VanillaNets 很有效，希望大家都来试一下。

附录 A：网络结构

其中每个卷积层后接一个激活层。对于 VanillaNet-13-1.5×，通道数量 x1.5。对于 VanillaNet-13-1.5׆，进一步在阶段 2，3，4 采用自适应池化，相应的形状为 $40\times 40$、$20\times 20$、$10\times 10$。

附录 B：训练细节

写在后面

  华为的这篇文章短小精悍，着实体现了功底。在这个“深度”学习时代，敢于挑战下浅层网络，实属牛批。