2.2 MobileNet V1思考

2019-04-17 本文已影响4人深度学习模型优化

小而高效的CNN有两个方向：一是对训练好的复杂模型进行压缩得到小模型；二是直接设计小模型并进行训练。本文要介绍的MobileNet是后者。

原则：保持模型性能（accuracy）的前提下降低模型大小（parameters size），同时提升模型速度（speed, low latency）。

我的文章的SqueezeNet和ShuffleNet也是基于这个原则。这个方向非常有前景，尤其在工业界非常有用。

1 深度级可分离卷积（Depthwise separable convolution）

MobileNet的基本单元是深度级可分离卷积（depthwise separable convolution）（类似于SqueezeNet中的fire模块）。深度级可分离卷积其实是一种可分解卷积操作（factorized convolutions），其可以分解为两个更小的操作：

depthwise convolution
pointwise convolution，

图1 Depthwise separable convolution

如图1所示。

Depthwise convolution（DC）和标准卷积不同。标准卷积的卷积核是用在所有的输入通道上（input channels）。depthwise convolution针对每个输入通道采用不同的卷积核，就是说一个卷积核对应一个输入通道，所以说depthwise convolution是depth级别的操作。
pointwise convolution（PC）其实就是普通的卷积，只不过其采用 $1\times 1$ 的卷积核。

图2 Depthwise convolution和pointwise convolution

图2中更清晰地展示了两种操作。

depthwise separable convolution，首先是采用depthwise convolution对不同输入通道分别进行卷积
pointwise convolution将上面的输出再进行结合，这样其实整体效果和一个标准卷积是差不多的，但是会大大减少计算量和模型参数量。
   奇技淫巧的出发点是我们在文首提到的原则。为了达到这个目的，使用了各种奇技淫巧。
   下面分析下Depthwise separable convolution和标准卷积的区别。
   假设输入特征图大小为 $D_F \times D_F \times M$ ，输出特征图大小为 $D_F \times D_F \times N$ 。这里假设输入特征图和输出特征图的height和width相等。
   对于标准卷积，其计算量为
$D_K \times D_K \times M \times N \times D_F \times D_F$
   对于depthwise separable convolution而言，其计算量为
$D_K \times D_K \times M \times D_F \times D_F + M \times N \times D_F \times D_F$
   上面两个计算量相除得到
$\frac {D_K \times D_K \times M \times D_F \times D_F + M \times N \times D_F \times D_F}{D_K \times D_K \times M \times N \times D_F \times D_F} = \frac{1}{N} + \frac{1}{D_K^2}$
   由上式可知，若卷积核大小为 $3\times 3$ ，则运算量下降9倍。而且这个下降倍数随着 $D_K$ 的增加而变大。
   标准卷积的参数数量为
$D_K \times D_K \times N$
   depthwise separable convolution的参数数量为
$D_K \times D_K \times M + N$
上述两式相除得到
$\frac {D_K \times D_K \times M + N}{D_K \times D_K \times N} = \frac{M}{N} + \frac{1}{D_K^2}$

2 MobileNet网络结构

MobileNet在使用depthwise separable convolution构建网络的时候会大量使用batchnorm，这不利于硬件进行并行运算。使用BN和ReLU的depthwise separable convolution的基本结构如下图所示。

图3 加入BN和ReLU的depthwise separable convolution

图4 MobileNet的网络结构

MobileNet的网络结构如图4所示。首先是一个3x3的标准卷积，然后后面就是堆积depthwise separable convolution，并且可以看到其中的部分depthwise convolution会通过strides=2进行down sampling。然后采用average pooling将feature变成 $1\times 1$ ，根据预测类别大小加上全连接层，最后是一个softmax层。

图5 MobileNet网络的计算与参数分布

如果单独计算depthwise convolution和pointwise convolution，整个网络有28层（这里Avg Pool和Softmax不计算在内）。我们还可以分析整个网络的参数和计算量分布，如图5所示。可以看到整个计算量基本集中在 $1\times 1$ 卷积上，如果你熟悉卷积底层实现的话，卷积一般通过一种im2col方式实现，其需要内存重组，但是当卷积核为 $1\times 1$ 时，其实就不需要这种操作了，底层可以有更快的实现。对于参数也主要集中在 $1\times 1$ 卷积，除此之外还有就是全连接层占了一部分参数。

MobileNet改进
目的：在MobileNet基准模型的基础上再想得到更小的模型。
主要方法是引入了两个超参数：

width multiplier
resolution multiplier

width multiplier为 $\alpha$ ，且 $\alpha \in (0, 1]$ ，于是depthwise separable convolution的计算量为：
$D_F\times D_F \times \alpha M \times D_K \times D_K + \alpha M \times \alpha N \times D_F \times D_F$
resolution multiplier为 $\rho$ ，且 $\rho \in (0, 1]$ ，于是depthwise separable convolution的计算量为：
$D_F\times D_F \times \alpha M \times \rho D_K \times \rho D_K + \alpha M \times \alpha N \times \rho D_F \times \rho D_F$

3 MobileNet的tensorflow实现

tensorflow中内置了depthwise convolution算子tf.nn.depthwise_conv2d。
先实现depthwise_separable_convolution子模块

def _depthwise_separable_conv2d(inputs, num_filters, width_multiplier, scope, downsample=False):
  num_filters = round(num_filters * width_multiplier)
  strides = 2 if downsample else 0
  
  with tf.variable_scope(scope):
    dw_conv = depthwise_conv2d(inputs, "depthwise_conv", strides = strides)
    bn = batchnorm(dw_conv, "dw_bn", is_training = True)
    relu = tf.nn.relu(bn)
    pw_conv = conv2d(relu, "pointwise_conv", num_filters)
    bn = batchnorm(pw_conv, "pw_bn", is_training=True)
    return tf.nn.relu(bn)

利用上面的_depthwise_separable_conv2d来构建MobileNet。

def MobileNet(inputs, num_classes, width_multiplier, scope = "MobileNet"):
  with tf.variable_scope(scope):
    net = conv2d(inputs, "conv_1", round(32 * width_multiplier), filter_size=3, strides=2)               # ->[N, 112, 112, 32]
    net = tf.nn.relu(bacthnorm(net, "conv_1/bn", is_training=self.is_training))
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 64, width_multiplier, "ds_conv_2")                       # ->[N, 112, 112, 64]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 128, width_multiplier, "ds_conv_3", downsample=True)     # ->[N, 56, 56, 128]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 128, width_multiplier, "ds_conv_4")                      # ->[N, 56, 56, 128]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 256, width_multiplier, "ds_conv_5", downsample=True)     # ->[N, 28, 28, 256]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 256, width_multiplier, "ds_conv_6")                      # ->[N, 28, 28, 256]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 512, width_multiplier, "ds_conv_7", downsample=True)     # ->[N, 14, 14, 512]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 512, width_multiplier, "ds_conv_8")                      # ->[N, 14, 14, 512]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 512, width_multiplier, "ds_conv_9")                      # ->[N, 14, 14, 512]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 512, self.width_multiplier, "ds_conv_10")                # ->[N, 14, 14, 512]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 512, width_multiplier, "ds_conv_11")                     # ->[N, 14, 14, 512]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 512, width_multiplier, "ds_conv_12")                     # ->[N, 14, 14, 512]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 1024, width_multiplier, "ds_conv_13", downsample=True)   # ->[N, 7, 7, 1024]
    net = self._depthwise_separable_conv2d(net, 1024, width_multiplier, "ds_conv_14")                    # ->[N, 7, 7, 1024]
    net = avg_pool(net, 7, "avg_pool_15")
    net = tf.squeeze(net, [1, 2], name="SpatialSqueeze")
    self.logits = fully_connected(net, num_classes, "fc_16")
    self.predictions = tf.nn.softmax(self.logits)

4 MobileNet的缺点分析

一点愚见：

依然使用了batchnorm，导致在FPGA中难以实现并行处理
使用了平均池化，对增加计算量

5 总结

本文简单介绍了Google提出的移动端模型MobileNet，其核心是采用了可分解的depthwise separable convolution，其不仅可以降低模型计算复杂度，而且可以大大降低模型大小。在真实的移动端应用场景，像MobileNet这样类似的网络将是持续研究的重点。后面我们会介绍其他的移动端CNN模型。