从Inception v1,v2,v3,v4,RexNeXt到Xception再到MobileNets,ShuffleNet,MobileNetV2

from:https://blog.csdn.net/qq_14845119/article/details/73648100

Inception v1的网络，主要提出了Inceptionmodule结构（1*1，3*3，5*5的conv和3*3的pooling组合在一起），最大的亮点就是从NIN（Network in Network）中引入了1*1 conv，结构如下图所示，代表作GoogleNet

假设previous layer的大小为28*28*192，则，

a的weights大小，1*1*192*64+3*3*192*128+5*5*192*32=387072

a的输出featuremap大小，28*28*64+28*28*128+28*28*32+28*28*192=28*28*416

b的weights大小，1*1*192*64+(1*1*192*96+3*3*96*128)+(1*1*192*16+5*5*16*32)+1*1*192*32=163328

b的输出feature map大小，28*28*64+28*28*128+28*28*32+28*28*32=28*28*256

写到这里，不禁感慨天才般的1*1 conv，从上面的数据可以看出一方面减少了weights，另一方面降低了dimension。

Inception v1的亮点总结如下：

(1)卷积层共有的一个功能，可以实现通道方向的降维和增维，至于是降还是增，取决于卷积层的通道数（滤波器个数），在Inception v1中1*1卷积用于降维，减少weights大小和feature map维度。

(2)1*1卷积特有的功能，由于1*1卷积只有一个参数，相当于对原始feature map做了一个scale，并且这个scale还是训练学出来的，无疑会对识别精度有提升。

(3)增加了网络的深度

(4)增加了网络的宽度

(5)同时使用了1*1，3*3，5*5的卷积，增加了网络对尺度的适应性

下图为googlenet网络结构：

这里有2个地方需要注意：

(1)整个网络为了保证收敛，有3个loss

(2)最后一个全连接层之前使用的是global average pooling，全局pooling使用的好了，还是有好多地方可以发挥的。

v2:Batch Normalization: Accelerating Deep Network Training by ReducingInternal Covariate Shift

Inception v2的网络，代表作为加入了BN（Batch Normalization）层，并且使用2个3*3替代1个5*5卷积的改进版GoogleNet。

Inception v2的亮点总结如下：

(1)加入了BN层，减少了InternalCovariate Shift（内部neuron的数据分布发生变化），使每一层的输出都规范化到一个N(0, 1)的高斯，从而增加了模型的鲁棒性，可以以更大的学习速率训练，收敛更快，初始化操作更加随意，同时作为一种正则化技术，可以减少dropout层的使用。

(2)用2个连续的3*3 conv替代inception模块中的5*5，从而实现网络深度的增加，网络整体深度增加了9层，缺点就是增加了25%的weights和30%的计算消耗。

v3:Rethinking the InceptionArchitecture for Computer Vision

Inception v3网络，主要在v2的基础上，提出了卷积分解（Factorization），代表作是Inceptionv3版本的GoogleNet。

Inception v3的亮点总结如下：

(1)

将7*7分解成两个一维的卷积（1*7,7*1），3*3也是一样（1*3,3*1），这样的好处，既可以加速计算（多余的计算能力可以用来加深网络），又可以将1个conv拆成2个conv，使得网络深度进一步增加，增加了网络的非线性，更加精细设计了35*35/17*17/8*8的模块。

(2)增加网络宽度，网络输入从224*224变为了299*299。

v4:Inception-v4,Inception-ResNet and the Impact of Residual Connections on Learning

Inception v4主要利用残差连接（Residual Connection）来改进v3结构，代表作为，Inception-ResNet-v1，Inception-ResNet-v2，Inception-v4

resnet中的残差结构如下，这个结构设计的就很巧妙，简直神来之笔，使用原始层和经过2个卷基层的feature
map做Eltwise。Inception-ResNet的改进就是使用上文的Inception module来替换resnet
shortcut中的conv+1*1 conv。

Inception v4的亮点总结如下：

(1)将Inception模块和ResidualConnection结合，提出了Inception-ResNet-v1，Inception-ResNet-v2，使得训练加速收敛更快，精度更高。

ILSVRC-2012测试结果如下（single crop），

(2)设计了更深的Inception-v4版本，效果和Inception-ResNet-v2相当。

(3)网络输入大小和V3一样，还是299*299

Aggregated ResidualTransformations for Deep Neural Networks

这篇提出了resnet的升级版。ResNeXt，the
next
dimension的意思，因为文中提出了另外一种维度cardinality，和channel和space的维度不同，cardinality维度主要表示ResNeXt中module的个数，最终结论

（1）增大Cardinality比增大模型的width或者depth效果更好

（2）与 ResNet 相比，ResNeXt 参数更少，效果更好，结构更加简单，更方便设计

其中，左图为ResNet的一个module,右图为ResNeXt的一个module，是一种split-transform-merge的思想

 

Xception: DeepLearning with Depthwise Separable Convolutions

这篇文章主要在Inception V3的基础上提出了Xception（Extreme Inception），基本思想就是通道分离式卷积（depthwise separable convolution operation）。最终实现了

(1)模型参数有微量的减少，减少量很少，具体如下，

(2)精度较Inception V3有提高，ImageNET上的精度如下，

先说，卷积的操作，主要进行2种变换，

(1)spatial dimensions，空间变换

(2)channel dimension，通道变换

而Xception就是在这2个变换上做文章。Xception与Inception V3的区别如下：

(1)卷积操作顺序的区别

Inception V3是先做1*1的卷积，再做3*3的卷积，这样就先将通道进行了合并，即通道卷积，然后再进行空间卷积，而Xception则正好相反，先进行空间的3*3卷积，再进行通道的1*1卷积。

(2)RELU的有无

这个区别是最不一样的，Inception V3在每个module中都有RELU操作，而Xception在每个module中是没有RELU操作的。

MobileNets: EfficientConvolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications

MobileNets其实就是Exception思想的应用。区别就是Exception文章重点在提高精度，而MobileNets重点在压缩模型，同时保证精度。

depthwiseseparable convolutions的思想就是，分解一个标准的卷积为一个depthwise convolutions和一个pointwise convolution。简单理解就是矩阵的因式分解。

传统卷积和深度分离卷积的区别如下，

假设，输入的feature map大小为DF * DF，维度为M，滤波器的大小为DK * DK，维度为N，并且假设padding为1，stride为1。则，

原始的卷积操作，需要进行的矩阵运算次数为DK · DK · M · N · DF · DF，卷积核参数为DK · DK · N · M

depthwise separable convolutions需要进行的矩阵运算次数为DK · DK ·M · DF · DF + M · N · DF · DF，卷积核参数为DK · DK · M+N · M

由于卷积的过程，主要是一个spatial dimensions减少，channel dimension增加的过程，即N>M，所以，DK · DK · N · M> DK · DK · M+N · M。

因此，depthwiseseparable

convolutions在模型大小上和模型计算量上都进行了大量的压缩，使得模型速度快，计算开销少，准确性好。如下图所示，其中，横轴MACS表示加法和乘法的计算量（Multiply-Accumulates），纵轴为准确性。

depthwise separable convolutions在caffe中，主要通过卷积层中group操作实现，base_line模型大小大概为16M。

mobileNet网络结构如下：

ShuffleNet: AnExtremely Efficient Convolutional Neural Network for Mobile Devices

这篇文章在mobileNet的基础上主要做了1点改进：

mobileNet只做了3*3卷积的deepwiseconvolution，而1*1的卷积还是传统的卷积方式，还存在大量冗余，ShuffleNet则在此基础上，将1*1卷积做了shuffle和group操作，实现了channel
shuffle 和pointwise group convolution操作，最终使得速度和精度都比mobileNet有提升。

如下图所示，

(a)是原始的mobileNet的框架，各个group之间相互没有信息的交流。

(b)将feature map做了shuffle操作

(c)是经过channel shuffle之后的结果。

Shuffle的基本思路如下，假设输入2个group，输出5个group

| group 1   | group 2  |

| 1,2,3,4,5  |6,7,8,9,10 |

转化为矩阵为2*5的矩阵

1 2 3 4 5

6 7 8 9 10

转置矩阵，5*2矩阵

1 6

2 7

3 8

4 9

5 10

摊平矩阵

| group 1   | group 2  | group 3   | group 4  | group 5  |

| 1,6           |2,7          |3,8           |4,9          |5,10        |

ShuffleNet Units 的结构如下，

(a)是一个带depthwiseconvolution (DWConv)的bottleneck unit

(b)在(a)的基础上，进行了pointwisegroup convolution (GConv) and channel shuffle

(c)进行了AVG pooling和concat操作的最终ShuffleNetunit

MobileNetV2: Inverted Residuals and Linear Bottlenecks

主要贡献有2点：

1，提出了逆向的残差结构（Inverted residuals）

由于MobileNetV2版本使用了残差结构，和resnet的残差结构有异曲同工之妙，源于resnet，却和而不同。

由于Resnet没有使用depthwise
conv,所以，在进入pointwise conv之前的特征通道数是比较多的，所以，残差模块中使用了0.25倍的降维。而MobileNet
v2由于有depthwise conv，通道数相对较少，所以残差中使用 了6倍的升维。

总结起来，2点区别

（1）ResNet的残差结构是0.25倍降维，MobileNet V2残差结构是6倍升维

（2）ResNet的残差结构中3*3卷积为普通卷积，MobileNet V2中3*3卷积为depthwise conv

MobileNet v1，MobileNet v2 有2点区别：

（1）v2版本在进入3*3卷积之前，先进行了1*1pointwise conv升维，并且经过RELU。

（2）1*1卷积出去后，没有进行RELU操作

2，提出了线性瓶颈单元（linear bottlenecks）

Why no RELU？

首选看看RELU的功能。RELU可以将负值全部映射为0，具有高度非线性。下图为论文的测试。在维度比较低2,3的时候，使用RELU对信息的损失是比较严重的。而单维度比较高15,30时，信息的损失是比较少的。

MobileNet v2中为了保证信息不被大量损失，应此在残差模块中去掉最后一个的RELU。因此，也称为线性模块单元。

MobileNet v2网络结构：

其中，t表示通道的扩大系数expansion factor，c表示输出通道数，

n表示该单元重复次数，s表示滑动步长stride

其中bottleneck模块中，stride=1和stride=2的模块分别如上图所示，只有stride=1的模块才有残差结构。

结果：

MobileNet v2速度和准确性都优于MobileNet v1

references:

http://iamaaditya.github.io/2016/03/one-by-one-convolution/

https://github.com/soeaver/caffe-model

https://github.com/facebookresearch/ResNeXt

https://github.com/kwotsin/TensorFlow-Xception

https://github.com/shicai/MobileNet-Caffe https://github.com/shicai/MobileNet-Caffe

https://github.com/tensorflow/models/blob/master/slim/nets/mobilenet_v1.md

https://github.com/HolmesShuan/ShuffleNet-An-Extremely-Efficient-CNN-for-Mobile-Devices-Caffe-Reimplementation

https://github.com/camel007/Caffe-ShuffleNet

https://github.com/shicai/MobileNet-Caffe

https://github.com/chinakook/MobileNetV2.mxnet