Facebook 最新力作 FBNetV3来了！相比 ResNeSt 提速 5 倍，精度不输 EfficientNet

原文链接：Facebook 最新力作 FBNetV3来了！相比 ResNeSt 提速 5 倍，精度不输 EfficientNet
FBNetV1：https://arxiv.org/abs/1812.03443

FBNetV2: https://arxiv.org/abs/2004.05565

FBNetV3: https://arxiv.org/abs/20206.02049

今天逛arxiv时看到了FBNetV3一文，虽然笔者对NAS相关方法并不感冒，但考虑到FBNetV3都出来了，V4出的可能并不大了。尤其当笔者看到FNBetV3可以取得媲美EfficientNet与ResNeSt的精度同时具有更少的FLOPs。索性就花点时间简简单单聊一下FBNet系列咯。注：FBNetV1与FBNetV2已开源，FNBetV3尚未开源，但应该不久，期待FBNetV3能尽快开源。

Abstract

这篇论文提到了一个比较有意思的点：网络架构与训练策略同时进行搜索。这是之前的方法所并未尝试的一个点，之前的方法主要聚焦在网络架构，而训练方法则是采用比较常规的一组训练方式。也许这就是“灯下黑”的缘故吧，看到了网络架构的重要性影响而忽略了训练方式在精度方面的“小影响”。但是，当精度达到一定程度之后，训练方式的这点影响就变得尤为重要了。

所以Facebook的研究员从这点出发提出了FBNetV3，它将网络架构与对应的训练策略通过NAS联合搜索。在ImageNet数据集上，FBNetV3取得了媲美EfficientNet与ResNeSt性能的同时具有更低的FLOPs(1.4x and 5.0x fewer)；更重要的是，该方案可以跨网络、跨任务取得一致性的性能提升。

Contribute

尽管NAS在网路架构方面取得了非常好的结果，比如EfficientNet、MixNet、MobileNetV3等等。但无论基于梯度的NAS，还是基于supernet的NAS，亦或给予强化学习的NAS均存在这几个缺陷：

忽略了训练超参数，即仅仅关注于网络架构而忽略了训练超参数的影响；
仅支持一次性应用，即在特定约束下只会输出一个模型，不同约束需要不同的模型。

为解决上述所提到的缺陷，作者提出了JointNAS同时对网络架构与训练策略进行搜索。JointNAS是一种两阶段的有约束的搜索方法，它包含粗粒度与细粒度两个阶段。本文贡献主要包含下面几点：

Joint training-architecture search
Generalizable training recipe
Multi-use predictor
State-of-the-art ImageNet accuracy

Method

该文的目标是：在给定资源约束下，搜索具有最高精度的网路架构与训练策略。该问题可以通过如下公式进行描述：
max(A,b)∈Ωacc(A,h),s.t. gi(A)≤Cifor i=1,⋯,γmax_{(A,b) \in \Omega} acc(A,h), \text{ s.t. } g_i(A)\le C_i \text{ for }i = 1, \cdots, \gamma max(A,b)∈Ωacc(A,h), s.t. gi(A)≤Ci for i=1,⋯,γ
其中，A,h,ΩA,h,\OmegaA,h,Ω分别表示网络架构、训练策略以及搜索空间（见下表）；gi(A),γg_i(A),\gammagi(A),γ表示资源约束信息，比如计算量、存储以及推理耗时灯。

如果搜索空间过大则会导致搜索评估变得不可能，为缓解复杂度问题，作者设计了一种两阶段的搜索算法：（1）粗粒度搜索；（2）细粒度搜索。见下图中的算法1.

Coarse-grained Search

第一阶段的粗粒度搜索将输出精度预测器与一组候选网络架构。

Neural Acquisition Function，即预测器，见上图。它包含编码架构与两个head：（1）Auxiliary proxy head用于预训练编码架构、预测架构统计信息（比如FLOPs与参数两）。注：网络架构通过one-hot方式进行编码；（2）精度预测器，它接收训练策略与网路架构，同时迭代优化给出架构的精度评估。
Early-stopping，作者还引入一种早停策略以降低候选网络评估的计算消耗；
Predictor training，得到候选网络后，作者提出训练50epoch同时冻结嵌入层，然后对整个模型再次训练50epoch。作者采用Huber损失训练该精度预测器。该损失有助于使模型避免异常主导现象(prevents the model from being dominated by outliers)。

Fine-grained Search

第二阶段的搜索是一种基于自适应遗传算法的迭代过程，它以第一阶段的搜索结果作为初代候选，在每次迭代时，对其进行遗传变异更新并评估每个个体的得分，从中选择K个得分最高的子代进行下一轮的迭代，直到搜索完毕，最终它将输出具有最高精度的网络与训练策略。

Search space

作者所设计的搜索空间包含训练策略以及网络架构，其中训练策略部分所搜空间包含优化器类型、初始学习率、权重衰减、mixup比例、dropout比例、随机深度drop比例、应用EMA与否；网络脚骨的所搜空间则基于inverted residual而设计，包含输入分辨率、卷积核尺寸、扩展因子、每层通道数以及深度。具体见下表。

在自动训练实验中，作者仅在固定架构上调整了训练策略；而在联合搜索时，作者对训练策略以及网络架构同时进行搜索，整个搜索空间大小为101710^{17}1017个网络架构与10710^7107个训练策略。

Experiments

作者首先对给定网络在一个较小的搜索空间下验证其搜索算法；然后在联合搜索任务上评估所提方法。注：为降低搜索时间，作者在ImageNet数据集中随机选择了200类别，并从训练集中随机构建了一个10K的验证集。

AutoTrain

在该部分实验中，作者选择FBNetV2-L3作为基准模型，主要进行训练策略的搜索。从搜索结果来看：RMSProp优于SGD，同时采用了EMA。该组训练策略可以提升模型0.8%精度。更多的实验结果见下图，可以看到在多个网络中，AutoTrain方式均可取得性能上的一致提升，这说明了AutoTrain的泛化性能。与此同时，还可以看到EMA可以进一步提升模型的精度。

Search for efficient networks

前面的实验验证了训练策略搜索的重要性，这里将对联合搜索进行尝试。搜索结果与其他NAS结果对比见下表。从表中对比可以看到：所提方法取得了更高的精度。比如FBNetV3-E取得了80.4%的精度，而与之对标的EfficientNetB2的精度为80.3%，而它们的FLOPs对比则似乎752M vs 1G；取得了82.3%精度的FBNetV3-G，而与之对标的ResNeSt在相同精度下FLOP却是其5倍之多。

Ablation Study

除此之外，作者还进行了一些消融实验分析。

网络架构与训练策略的成对性：见下图中Table4。从一定程度上说明：仅搜索网络架构只能得到次优结果；
细粒度搜索的重要性：见下图的Table5。从一定程度上说明：细粒度搜索可以进一步提升的模型的性能。

EMA的泛化性能分析：作者通过实验发现了EMA在分类任务上取得了性能的一致提升。认为这种策略同样适用于其他任务，并在COCO目标检测任务上进行了验证，结果见下图。可以看到：EMA策略确实取得了更优的结果。看来EMA也是一种非常棒的trick，提升精度的同时又不影响训练和推理，各位小伙伴还在等什么？快点用起来吧！

Conclusion

Facebook的研究员提出了一种比较好的NAS方案，它将训练策略纳入到网络架构的搜索过程中。之前的研究往往只关注网络架构的搜索而忽视了训练策略的影响，这确实是一点比较容易忽视的。所谓的“灯下黑”，吼吼，笔者突然意识到：是不是还可以将参数初始化方式那纳入到搜索空间呢？感兴趣的小伙伴还不快点去尝试一下。

◎作者档案
Happy，一个爱“胡思乱想”的AI行者
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