轻量化网络结构——ShuffleNet_shufflenet网络结构

论文：《ShuffleNet: An Extremely Efficient Convolutional Neural Network for Mobile Devices》—Face++

1.shuffle具体来说是channel shuffle，是将各部分的feature map的channel进行有序的打乱，构成新的feature map，以解决group convolution带来的[信息流通不畅]的问题。（MobileNet是用pointwise convolution解决这个问题。）

• 因此可知道shuffle不是什么网络都需要用的，是有一个前提，就是采用了group convolution，才有可能需要shuffle，也可以使用pointwise convolution来解决这个问题。
  ShuffleNet主要在计算上做了创新，提出了pointwise group convolution和channel shuffle两个操作来减少计算量，使得计算量在10-150MFLOPS（每秒百万个浮点）次操作。
  对比一下MobileNet，采用shuffle替换掉1x1卷积，这样可以减少权值参数，而且是减少大量权值参数，因为在MobileNet中，1x1卷积层有较多的卷积核，并且计算量巨大。

MobileNet每层的参数量和运算量如下路所示：

2.Channel Shuffle for Group Convolution

• 2.1 Group Convolution：
  Group convolution自Alexnet就有，当时因为硬件限制而采用分组卷积，主要是解决模型在双GPU上的训练。ResNeXt借鉴了这种group操作改进了原本的ResNet。MobileNet则是采用了depthwise separable convolution代替传统的卷积操作，在几乎不影响准确率的前提下大大降低计算量。Xception主要也是采用depthwise separable convolution改进Inception v3的结构。
• 2.2 Channel Shuffle：
  channel shuffle的思想如下图Figure1所示。这就要先从group操作说起，一般卷积操作中比如输入feature map的数量是N，该卷积层的filter数量是M，那么M个filter中的每一个filter都要和N个feature map的某个区域做卷积，然后相加作为一个卷积的结果。假设你引入group操作，设group为g，那么N个输入feature map就被分成g个group，M个filter就被分成g个group，然后再做卷积操作的时候，第一个group的M/g个filter中的每一个都和第一个group的N/g个输入feature map做卷积得到结果，第二个group同理，直到最后一个group，如Figure1（a）。不同的颜色代表不同的group，图中有三个group。这种操作可以大大减少计算量，因为你每个filter不再是和输入的全部feature map做卷积，而是和一个group的feature map做卷积。但是如果多个group操作叠加在一起，如Figure1（a）的两个卷积层都有group操作，显然就会产生边界效应，什么意思呢？就是某个输出channel仅仅来自输入channel的一小部分。这样肯定是不行的的，学出来的特征会非常局限。于是就有了channel shuffle来解决这个问题，先看Figure1（b），在进行GConv2之前，对其输入feature map做一个分配，也就是每个group分成几个subgroup，然后将不同group的subgroup作为GConv2的一个group的输入，使得GConv2的每一个group都能卷积输入的所有group的feature map，这和Figure1（c）的channel shuffle的思想是一样的。
  
• 2.3 ShuffleNet Unit
  pointwise group convolutions，其实就是带group的卷积核为1*1的卷积，也就是说pointwise convolution是卷积核为11的卷积。在ResNeXt中主要是对33的卷积做group操作，但是在ShuffleNet中，作者是对11的卷积做group的操作，因为作者认为11的卷积操作的计算量不可忽视。可以看Figure2（b）中的第一个11卷积是GConv，表示group convolution。Figure2（a）是ResNet中的bottleneck unit，不过将原来的33 Conv改成33 DWConv，作者的ShuffleNet主要也是在这基础上做改动。首先用带group的11卷积代替原来的11卷积，同时跟一个channel shuffle操作，这个前面也介绍过了。然后是33 DWConv表示depthwise separable convolution。depthwise separable convolution可以参考MobileNet，下面贴出depthwise separable convolution的示意图。Figure2（c）添加了一个Average pooling和设置了stride=2，另外原来Resnet最后是一个Add操作，也就是元素值相加，而在（c）中是采用concat的操作，也就是按channel合并，类似googleNet的Inception操作。
  
  注： 因为分辨率小了，于是最后不采用Add，而是concat，从而[弥补]了分辨率减少而带来的损失。在depthwise convolution后不使用ReLU。
  文中提到： 对于小型网络，多多使用通道，会比较好。所以，以后若涉及小型网络，多多使用通道，会比较好。

3.网络结构

Table 1是ShuffleNet的网络结构，基本上和ResNet是一样的，也是分成几个stage（ResNet中有4个stage，这里只有3个），然后在每个stage中用ShuffleNet unit代替原来的Residual block，这也就是ShuffleNet算法的核心。这个表是在限定complexity的情况下，通过改变group（g）的数量来改变output channel的数量，更多的output channel一般而言可以提取更多的特征。

4.实验结果：

Table2表示不同大小的ShuffleNet在不同group数量情况下的分类准确率比较。ShuffleNet s表示将ShuffleNet 1的filter个数变成s倍。Table2的一个重要结论是group个数的线性增长并不会带来分类准确率的线性增长。但是发现ShuffleNet对于小的网络效果更明显，因为一般小的网络的channel个数都不多，在限定计算资源的前提下，ShuffleNet可以使用更多的feature map。

至于实验比较，并没有给出模型参数量的大小比较，而是采用了Complexity（MFLOPS）指标，在相同的Complexity（MFLOPS）下，比较ShuffleNet和各个网络，还专门和MobileNet进行比较，由于ShuffleNet相较于MobileNet少了1x1的卷积层，所以效率大大提高了

相似准确率条件下的性能比较：

由上图可知，虽然SqueezeNet可以极大的减少模型的存储，但速度上并没有提升，反而些许变慢了。ShuffleNet在计算性能上是AlexNet（5层卷机，3层全连接）的18倍，需要40 MFLOPS的计算量。

实际在手机上的前向测试：

ShuffleNet小结：

• 1.ShuffleNet的核心就是用pointwise group convolution，channel shuffle和depthwise separable convolution代替ResNet block的相应层构成了ShuffleNet uint，达到了减少计算量和提高准确率的目的。channel shuffle解决了多个group convolution叠加出现的边界效应–[信息流通不畅]（MobileNet中则是采用pointwise convolution操作来解决），pointwise group convolution和depthwise separable convolution主要减少了计算量。
• 2.在网络拓扑方面，ShuffleNet采用的是resnet的思想，而MobileNet采用的是VGG的思想，SqueezeNet也是采用VGG的堆叠思想。

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注：博众家之所长，集群英之荟萃。