MobileNetV1 & MobileNetV2 简介

一、参数数量和理论计算量

1、定义

• 参数数量（params）：关系到模型大小，单位通常为M，通常参数用 float32 表示，所以模型大小是参数数量的 4 倍
• 理论计算量（FLOPs）：
  • 是 floating point operations 的缩写（注意 s 小写），可以用来衡量算法/模型的复杂度，这关系到算法速度，大模型的单位通常为 G，小模型单位通常为 M
  • 通常只考虑乘加操作(Multi-Adds)的数量，而且只考虑 CONV 和 FC 等参数层的计算量，忽略 BN 和PReLU 等等。一般情况，CONV 和 FC 层也会 忽略仅纯加操作 的计算量，如 bias 偏置加和 shotcut 残差加等，目前技术有 BN 的 CNN 可以不加 bias

2、计算公式

假设卷积核大小为 $K_h \times K_w$Kh​×Kw​，输入通道数为 $C_{in}$Cin​，输出通道数为 $C_{out}$Cout​，输出特征图的宽和高分别为 $W$W 和 $H$H，这里忽略偏置项

• CONV 标准卷积层：

  • params： $K_h \times K_w \times C_{in} \times C_{out}$Kh​×Kw​×Cin​×Cout​
  • FLOPs：$K_h \times K_w \times C_{in} \times C_{out} \times H \times W = params \times H \times W$Kh​×Kw​×Cin​×Cout​×H×W=params×H×W

• FC 全连接层（相当于 k=1）：

  • params： $C_{in} \times C_{out}$Cin​×Cout​
  • FLOPs：$C_{in} \times C_{out}$Cin​×Cout​

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二、MobileNetV1: Efficient Convolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications

1、能够减少参数数量和计算量的原理

• 深度可分离卷积的使用
  • 在进行 depthwise 卷积时只使用了一种维度为in_channels的卷积核进行特征提取（没有进行特征组合）
  • 在进行 pointwise 卷积时只使用了output_channels 种 维度为in_channels 1*1 的卷积核进行特征组合，普通卷积不同 depth 层的权重是按照 1:1:1…:1的比例进行相加的，而在这里不同 depth 层的权重是按照**不同比例(可学习的参数)**进行相加的
  • 参数数量由原来的p1 = F*F*in_channels*output_channels 变为了p2 = F*F*in_channels*1 + 1*1*in_channels*output_channels，减小为原来的p2/p1 = 1/output_channels + 1/F*F，其中 F 为卷积核的尺寸，若 $F = 3$F=3，参数量大约会减少到原来的 $1/8 \to 1/9$1/8→1/9
  • Note： 原论文中对第一层没有用此卷积，深度可分离卷积中的每一个后面都跟 BN 和 RELU
    
• Global Average Pooling 的使用：这一层没有参数，计算量可以忽略不计
• 用 CONV/s2（步进2的卷积）代替 MaxPool+CONV：使得参数数量不变，计算量变为原来的 1/4 左右，且省去了MaxPool 的计算量
• Note：采用 depth-wise convolution 会有一个问题，就是导致 信息流通不畅 ，即输出的 feature map 仅包含输入的 feature map 的一部分，在这里，MobileNet 采用了 point-wise(1*1) convolution 帮助信息在通道之间流通

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2、MobileNetV1 中引入的两个超参数

• Width Multiplier($\alpha$α): Thinner Models
  • 所有层的 通道数（channel） 乘以 $\alpha$α 参数(四舍五入)，模型大小近似下降到原来的 $\alpha^{2}$α2 倍，计算量下降到原来的 $\alpha^{2}$α2 倍
  • $\alpha \in (0, 1]$α∈(0,1] with typical settings of 1, 0.75, 0.5 and 0.25，降低模型的宽度
• Resolution Multiplier($\rho$ρ): Reduced Representation
  • 输入层的 分辨率（resolution） 乘以 $\rho$ρ 参数 (四舍五入)，等价于所有层的分辨率乘 $\rho$ρ，模型大小不变，计算量下降到原来的 $\rho^{2}$ρ2 倍
  • $\rho \in (0, 1]$ρ∈(0,1]，降低输入图像的分辨率

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3、标准卷积和深度可分离卷积的区别

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4、TensorFlow 中的代码实现

• 可使用 tensorflow 中的tf.nn.separable_conv2d() 来实现， 参数depthwise_filter中的 channel_multiplier 设为 1 即可

# 使用 slim 来实现
def _depthwise_separable_conv(inputs,
                              num_pwc_filters,
                              kernel_width,
                              phase,
                              sc,
                              padding='SAME',
                              width_multiplier=1,
                              downsample=False):
    """ Helper function to build the depth-wise separable convolution layer.
    """
    num_pwc_filters = round(num_pwc_filters * width_multiplier)
    _stride = 2 if downsample else 1

    # skip pointwise by setting num_outputs=None
    depthwise_conv = slim.separable_convolution2d(inputs,
                                                  num_outputs=None,
                                                  stride=_stride,
                                                  depth_multiplier=1,
                                                  kernel_size=[kernel_width, kernel_width],
                                                  padding=padding,
                                                  activation_fn=None,
                                                  scope=sc + '/depthwise_conv')

    bn = slim.batch_norm(depthwise_conv, activation_fn=tf.nn.relu, is_training=phase, scope=sc + '/dw_batch_norm')
    pointwise_conv = slim.convolution2d(bn,
                                        num_pwc_filters,
                                        kernel_size=[1, 1],
                                        activation_fn=None,
                                        scope=sc + '/pointwise_conv')
    bn = slim.batch_norm(pointwise_conv, activation_fn=tf.nn.relu, is_training=phase, scope=sc + '/pw_batch_norm')
    return bn

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三、MobileNetV2：Inverted Residuals and Linear Bottlenecks

1、主要改进点

• 引入残差结构，先升维再降维，增强梯度的传播，显著减少推理期间所需的内存占用（Inverted Residuals）
• 去掉 Narrow layer（low dimension or depth） 后的 ReLU，保留特征多样性，增强网络的表达能力（Linear Bottlenecks）
• 网络为全卷积的，使得模型可以适应不同尺寸的图像；使用 RELU6（最高输出为 6）**函数，使得模型在低精度计算下具有更强的鲁棒性
• MobileNetV2 building block 如下所示，若需要下采样，可在 DWise 时采用步长为 2 的卷积；小网络使用小的扩张系数（expansion factor），大网络使用大一点的扩张系数（expansion factor），推荐是5~10，论文中 $t = 6$t=6
  

2、和 MobileNetV1 的区别

3、和 ResNet 的区别

4、TensorFlow 中的代码实现

# 待补充!

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四、参考资料

1、CVPR 2018 高效小网络探密（上）
2、CVPR 2018 高效小网络探密（下）
3、MobileNet V2 论文初读