轻量化模型：MobileNet/SqueezeNet/ShuffleNet

MobileNet v1

论文链接：MobileNets: Efficient Convolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications

创新点

轻量化体现在：

• 深度可分离卷积（Depthwise Separable Convolution）
• 两个模型压缩参数（宽度乘数和分辨率乘数）

1、深度可分离卷积

将常规卷积分为两部分：一是深度卷积，n 个卷积核和 n 个输入特征图分别卷积，也就是分组卷积；二是 1x1 卷积，将第一步的卷积结果融合起来。之所以使用1x1卷积，是因为深度卷积导致信息流通不畅 ，即输出的 feature map 仅包含输入的 feature map 的一部分，point-wise(1x1) convolution 帮助信息在通道之间流通。深度可分离卷积好处是可以减小计算量和模型尺寸。

如何减小计算量

如下图所示。比如一个输入特征图的尺寸是，与 N 个的卷积核进行卷积，stride=1和padding=same，那么输出特性图尺寸为。总计算量为，每个卷积核和特征图的每个位置进行卷积；总参数量（不计偏置）。

深度可分离卷积打破输出通道数量和卷积核大小之间的相互作用。深度卷积对 M 个特征图分别进行卷积，对应的卷积核深度就变成了1，所以第一步的计算量为，参数数量为；第二步是1x1卷积，即 N 个尺寸为 1x1xM 的卷积核与第一步的 M 个特征图卷积，这步的计算量为 ，参数数量为 。总的计算量 ，总参数。计算量和参数变为原来的。当卷积核尺寸为3时，变为1/8或1/9。减小计算量的同时，准确率只会下降一点。

图1 常规卷积与深度可分离卷积过程对比

网络结构

除了第一个卷积层是普通卷积，后面的都是深度可分离卷积。所有层（除了最后一个全连接层）后面都是一个BN层和ReLU层，最后的全连接层后面是softmax层进行分类。此外，深度卷积和 1x1 卷积后面都分别有BN和ReLU。降采样通过stride=2的卷积进行（常规卷积和深度可分离卷积都有）。最后在全连接层前使用平均池化层将空间分辨率降低到1，即压缩成特征向量。如果将深度卷积和1x1卷积计为单独的层，MobileNet有28层。网络总降采样倍数为32。

图2 常规卷积和深度可分离卷积都需要BN层、ReLU层

conv_dw的Pytorch实现：

import torch.nn as nn

def conv_dw(inp, oup, stride):
    return nn.Sequential(
            #  深度卷积，输入输出通道数相同，使用组卷积，个数等于输入通道数
            nn.Conv2d(inp,inp, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, groups=inp, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(inp),
            nn.ReLU(inplace=True),
            # 1x1卷积
            nn.Conv2d(inp, oup, 1, 1, 0, bias=False),
            nn.BatchNorm2d(oup),
            nn.ReLU(inplace=True) )

除此之外，MobileNet实现上也非常高效。1×1卷积不需要在内存中重新排序，并可以直接使用GEMM实现，GEMM是最优化的数值线性代数算法之一。 MobileNet在1×1卷积中花费95％的计算时间，其中也有75％的参数。其他参数几乎都在全连接层。

MobileNet模型在TensorFlow使用RMSprop进行训练，与训练大型模型相反，使用较少的正则化、数据增强和参数衰减（L2正则）技术，因为小型模型参数很少，在过拟合方面问题不大。

2、模型压缩系数

宽度乘数：更薄的模型

宽度乘数 α 的作用是在每层均匀地稀疏网络。对于给定层和α，输入通道的数量 M 变为 αM，输出通道的数量 N 变为 αN。总计算量变为：
α常用取值

分辨率乘数：减少分辨率

分辨率乘数 ρ 应用于输入图像，并且每个层的特征图随后被相同的乘数减少。在实践中，一般通过设置输入图片分辨率隐式设置 ρ 。ρ∈（0,1）通常隐式设置，使得网络的输入分辨率为 224、192、160 或 128。分辨率乘数具有将计算成本降低 ρ² 的效果。

现在网络核心层深度可分离卷积的计算量表示为宽度乘数 α 和分辨率乘数 ρ 的公式：

两个超参数和深度可分离卷积减小计算量对比，第一行显示完整卷积层的Mult-Adds和参数，其中输入特征映射的大小为14×14×512，卷积核 K 的大小为 3×3×512×512。下一行是在前一行的基础改动。

实验结果

• 与常规卷积相比，计算量大幅减小，准确率只略微减小

• 模型压缩系数的影响

• 与经典网络比较

MobileNet v2

论文链接：MobileNetV2: Inverted Residuals and Linear Bottlenecks

创新点

• 反残差（Inverted residuals）
• Linear bottlenecks

Inverted Residuals

MobileNet-V1 最大的特点是采用深度可分离卷积（DW）来减少运算量以及参数量，而在网络结构上，没有采用shortcut的方式。Resnet 及 Densenet 等一系列采用 shortcut 的网络的成功，表明了 shortcut 的好处，于是 MobileNet-V2 采用了 shortcut ，将输入和输出相加。

通常的 residuals block 是先经过一个 1x1 的卷积层，把特征图的通道数压缩，再通过 3x3 卷积层，最后经过一个 1x1 的卷积层将特征图通道数扩张回去。而 inverted residuals 是 先“扩张”，后“压缩”。原因是 MobileNet v2是将DW 卷积层替代 residuals block 的常规卷积，这样做会碰到如下问题：DW 卷积层提取到的特征受限于输入的通道数，若是采用以往的 residual block，先“压缩”，再卷积提特征，那么 DW 卷积层可提取得特征就太少了，因此MobileNetV2 反其道而行，一开始先“扩张”，本文实验“扩张”倍数为6。 通常residual block 里面是 “压缩”→“卷积提特征”→“扩张”，MobileNetV2 变成了 “扩张”→“卷积提特征”→ “压缩”，因此称为Inverted residuals。

与 ResNet对比：

图3 与ResNet对比

相同点

• 借鉴 ResNet，都采用了 1x1 -> 3x3 -> 1x1的模式；
• 同样使用 Shortcut 将输出与输入相加（未在上式画出）

不同点

• ResNet 使用 标准卷积 提特征，MobileNet 使用 DW卷积 提特征；
• ResNet 先降维 (0.25倍)、卷积、再升维，而 MobileNet V2 则是 先升维 (6倍)、卷积、再降维

Linear bottlenecks

当采用“扩张”→“卷积提特征”→ “压缩”时，在“压缩”之后会碰到一个问题，那就是 Relu 会破坏特征。为什么这里的Relu会破坏特征呢？这得从 Relu 的性质说起，Relu对于负的输入，输出全为零；而本来特征就已经被“压缩”，再经过Relu的话，又要“损失”一部分特征，因此这里不采用Relu，实验结果表明这样做是正确的，这就称为 Linear bottlenecks。

与MobileNet V1对比：

图4 与MobileNet v1对比

相同点

• 都采用深度可分离卷积提取特征

不同点

• V2 在 DW 卷积之前新加了一个 PW 卷积“扩张”层，目的是为了提升通道数，获得更多特征；
• V2 去掉了第二个 PW 的ReLU，即 Linear Bottleneck，目的是防止Relu破坏特征

网络结构

注：文中提到共计采用19个bottleneck，但是这里只有17个。

Conv2d 和 avgpool 和传统CNN里的操作一样；最大的特点是 bottleneck，一个bottleneck由如下三个部分构成：

一个 residuals bottleneck 结构的 Multiply Add 为：

特别的，针对stride=1 和stride=2，在block上有稍微不同，主要是为了与shortcut的维度匹配，因此，stride=2时，不采用shortcut。 具体如下图：

实验结果

• MobileNet V2分类时的表现

注：这是在手机的CPU上跑出来的结果(Google pixel 1 for TF-Lite)。

• 检测时的表现

注：SSDLite是把SSD预测层中所有常规卷积用深度可分离卷替换。与常规SSD相比，SSDLite显着降低了参数量和计算成本。

SqueezeNet

论文链接：SQUEEZENET: ALEXNET-LEVEL ACCURACY WITH 50X FEWER PARAMETERS AND <0.5MB MODEL SIZE

在ImageNet上实现了和AlexNet相同的正确率，但是只使用了1/50的参数。更进一步，使用模型压缩技术，可以将SqueezeNet压缩到0.5MB，是AlexNet的1/510。

创新点

• Fire Moudle
• 使用模型压缩方法进一步压缩网络

Fire Moudle

SqueezeNet 的核心在于 Fire module，Fire module 由两层构成，分别是 squeeze 层和expand 层，如下图所示。与 inception 系列的思想非常接近，首先 squeeze 层，就是 1x1 卷积，其卷积核数要少于上一层 feature map 数，这个操作是“压缩”； Expand 层分别用 1x1 和 3x3 卷积，然后 concat，这个操作在 inception 系列里面也有。

具体操作：
首先，HxWxM 的 feature map 经过 Squeeze 层，得到 S1 个 feature map，这里的 S1 均是小于 M 的，以达到压缩的目的；然后，HxWxS1 的特征图输入到 Expand 层，分别经过 1x1 卷积层和 3x3 卷积层进行卷积，再将结果进行 concat，得到 Fire module 的输出，为 HM(e1+e3) 的 feature map。三个可调参数：S1，e1，e3，分别代表卷积核的个数，同时也表示对应输出 feature map 的维数，在文中提出的 SqueezeNet 结构中，e1=e3=4s1。

网络结构

网络结构设计思想，同样与 VGG 的类似，堆叠的使用卷积操作，只不过这里堆叠的是 Fire module（图中用红框部分）。

进一步压缩

模型压缩方法

为了得到一个参数非常少但同时保持准确性的模型，一个明智的方法是采用现有的CNN模型并以有损的方式压缩它。常用的模型压缩技术有：

1. 奇异值分解(singular value decomposition (SVD))预训练模型
2. 网络剪枝（Network Pruning）：用零替换预训练模型低于某个阈值的参数以形成稀疏矩阵，并最终在稀疏CNN上执行一些训练迭代
3. 深度压缩（Deep compression）：使用网络剪枝，量化和 huffman 编码
4. 使用硬件加速器（hardware accelerator）

注：标题中的0.5M参数是 Squeezenet 经过 Deep compression 后的结果。

ShuffleNet V1

论文链接：ShuffleNet： An Extremely Efficient Convolutional Neural Network for Mobile Devices

创新点

ShuffleNet 可以看作是ResNet的压缩版本，主要思想是：

• 使用 group convolution
• 使用 channel shuffle

分组卷积（group convolution）

Group convolution 自 Alexnet 就有，当时因为硬件限制而采用分组卷积；之后在 2016 年的 ResNeXt 中，表明采用 group convolution 可获得高效的网络；再有 Xception 和 MobileNet 均采用 depth-wise convolution, 这些都是最近出来的一系列轻量化网络模型。

常规卷积

假设有输入feature map，尺寸为 ，与 k 个 的卷积核卷积，输出尺寸为

分组卷积

而Group convolution的实质就是将卷积分为 g 个独立的组，分别计算。即：

• 把 input feature 分为 g 组，每组的大小为
• 把 kernel 也分为 g 组，每组有 k/g 个 的卷积核
• 按顺序，每组 input feature 和 kernel 分别做普通卷积，输出 g 组 的特征图，一共有 g 组，总输出

注：深度可分离卷积的第一步的就是分组卷积的一个特例，分组数等于输入通道数。

于是可以把 pointwise convolution（1x1）用 pointwise group convolution 代替，将卷积运算限制在每个Group内来降低计算量。

Channel Shuffle

由于采用分组卷积，group与group之间的几乎没有联系，影响了网络的准确率。因此 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，于是提出了 channel shuffle 来加强 group 之间的联系。同时channel shuffle是可导的，可以实现 end-to-end 一次性训练网络。

具体方法为：把各组的 channel 平均分为 g（下图 g=3）份，然后依次序的重新构成 feature map。

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 ，首先将总通道数那个维度拆分为 两个维度，然后将这两个维度转置变成 ，最后重新 reshape 成一个维度。

网络结构

(a) 加入Depthwise的ResNet bottleneck结构，(b)和(c)是加入Group convolution和Channel Shuffle的ShuffleNet的结构

ShuffleNet的基本单元是在一个残差单元的基础上改进而成的。如图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。现在，进行如下的改进：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，而当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。这样做的目的主要是降低计算量与参数大小。

代码实现：https://www.jianshu.com/p/84b2a4590ec8

实验结果

注：ShuffleNet s× 表示通道数放缩到s倍。

• 与MobileNet对比

• 倍数与分组数

缺点

• Shuffle channel在实现的时候需要大量的指针跳转和Memory set，这本身就是极其耗时的；同时又特别依赖实现细节，导致实际运行速度不会那么理想。
• Shuffle channel规则是人工设计出来的，不是网络自己学出来的。这不符合网络通过负反馈自动学习特征的基本原则，又陷入人工设计特征的老路（如sift/HOG等。

ShuffleNet V2

论文链接：ShuffleNet V2: Practical Guidelines for Efficient CNN Architecture Design

正如标题那样，是实验引导的高效CNN结构设计，文章的观点和实验都比较新颖。

ShuffleNet v2 的优异性能

高效CNN网络设计

时间消耗分析

目前衡量模型复杂度的一个通用指标是FLOPs，具体指的是卷积层的 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。如上图中的（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；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。

下图中分析了ShuffleNet v1与MobileNet v2这两个移动端流行网络在GPU/ARM两种平台下的时间消耗分布。

从上图中可看出Conv等计算密集型操作占了其时间的绝大多数，但其它像Elemwise/Data IO等内存读写密集型操作也占了相当比例的时间，因此像以往那样一味以FLOPs来作为指导准则来设计CNN网络是不完备的，虽然它可以反映出占大比例时间的Conv操作。

准则一：输入输出通道数目相同时，卷积计算所需的MAC最小

假设一个1x1卷积层的输入特征通道数是c1，尺寸是h和w，输出特征通道数是c2，那么这样一个1x1卷积层的FLOPs就是下面式子所示:
。

假设内存足够大，那么内存使用量：
，
分别是输入特征图、输出特征图、卷积核权重的使用量。

根据均值不等式可以得到公式（1）。把MAC和B代入式子1，就得到（c1-c2）² >= 0，因此等式成立的条件是 c1=c2，也就是输入特征通道数和输出特征通道数相等时，在给定FLOPs前提下，MAC取最小值。

实验也证实了这个观点，改变c1, c2的比例，固定FLOPs时，1:1时速度最快。

准则二：过多的分组卷积会加大MAC

像MobileNet、ShuffleNet、Xception其实都借鉴了卷积的group操作来加速模型，这是因为group操作可以大大减少FLOPs，因此即便适当加宽网络也不会使得FLOPs超过原来不带group的卷积操作，这样就能带来比较明显的效果提升（ResNeXt就是这样的例子）。但是，FLOPs不怎么增加并不代表速度变快，相同层数情况下，ResNeXt的速度要慢许多，差不多只有相同层数的ResNet速度的一半，但是相同层数的ResNeXt的参数量、FLOPs和ResNet是基本差不多的。这就引出了group操作所带来的速度上的影响。

和前面同理，一个带group操作的1x1卷积的FLOPs如下所示，多了一个除数g，g表示group数量。这是因为每个卷积核都只和c1/g个通道的输入特征做卷积，一共c2/g个卷积核，总输出不变：

此时MAC为：

可见，在B不变时，g越大，MAC也越大。实验也证实：c表示c1+c2的和，通过控制这个参数可以使得每个实验的FLOPs相同，可以看出随着g的不断增大，c也不断增大，这和前面说的在基本不影响FLOPs的前提下，引入group操作后可以适当增加网络宽度吻合。从速度上看，group数量的增加对速度的影响还是很大的，原因就是group数量的增加带来MAC的增加，进而带来速度的降低。

准则三：网络碎片化会降低并行度，即模型中的分支数量越多，模型速度越慢

网络结构设计上，文章用了一个词：fragment，翻译过来就是分裂的意思，可以简单理解为网络的支路数量。为了研究fragment对模型速度的影响，作者做了Table3这个实验，其中2-fragment-series表示一个block中有2个卷积层串行，也就是简单的叠加；4-fragment-parallel表示一个block中有4个卷积层并行，类似Inception的整体设计。可以看出在相同FLOPs的情况下，单卷积层（1-fragment）的速度最快。因此模型支路越多（fragment程度越高）对于并行计算越不利，这样带来的影响就是模型速度变慢，比如Inception、NASNET-A这样的网络。

准则四：Element-wise（元素级）操作会消耗较多的时间

Element-wise类型操作虽然FLOPs非常低，但是带来的时间消耗还是非常明显的。比如ReLU和Add，虽然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。

结论

• 1x1卷积平衡输入和输出的通道数；
• 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

在ShuffleNet v1的操作中违反了四个设计准则：首先它使用了bottleneck 1x1 group conv与module最后的1x1 group conv pointwise模块，使得input channels数目与output channels数目差别较大，违反了上述规则一与规则二；其次由于它整体网络结构中过多的group conv操作的使用从而违反了上述规则三；最后类似于Residual模块中的大量Element-wise sum的使用则进而违反了上述规则四。

ShuffleNet v2中弃用了1x1的group convolution操作，而直接使用了input/output channels数目相同的1x1普通conv。它更是提出了一种ChannelSplit新的类型操作，将module的输入channels分为两部分，一部分直接向下传递，另外一部分则进行真正的向后计算。到了module的末尾，直接将两分支上的output channels数目级连起来，从而规避了原来ShuffleNet v1中Element-wise sum的操作。然后我们再对最终输出的output feature maps进行RandomShuffle操作，从而使得各channels之间的信息相互交通。

网络结构

上图是关于ShuffleNet v1和ShuffleNet v2的结构对比，其中（a）和（b）是ShuffleNet v1的两种不同block结构，同理（c）和（d）是ShuffleNet v2的两种不同block结构。从（a）和（c）的对比可以看出首先（c）在开始处增加了一个channel split操作，这个操作将输入特征的通道分成c-c’和c’，c’在文章中采用c/2，这主要是和前面第1点发现对应。然后（c）中取消了1x1卷积层中的group操作，这和前面第2点发现对应，同时前面的channel split其实已经算是变相的group操作了。其次，channel shuffle的操作移到了concat后面，和前面第3点发现对应，同时也是因为第一个1x1卷积层没有group操作，所以在其后面跟channel shuffle也没有太大必要。最后是将element-wise add操作替换成concat，这个和前面第4点发现对应。多个（c）结构连接在一起的话，channel split、concat和channel shuffle是可以合并在一起的。（b）和（d）的对比也是同理，只不过因为（d）的开始处没有channel split操作，所以最后concat后特征图通道数翻倍，可以结合后面Table5的具体网络结构来看。

Table5是ShuffleNet v2的具体网络结构示意图，不同stage的输出通道倍数关系和前面描述的吻合，每个stage都是由Figure3（c）（d）所示的block组成，block的具体数量对于Figure5中的Repeat列。

实验结果

明显看到ShuffleNet v2在精度和速度上的优势。