【轻量级网络】MobileNet-v2详解

论文：《Inverted Residuals and Linear Bottlenecks: Mobile Networks for Classification, Detection and Segmentation》
论文链接：https://arxiv.org/abs/1801.04381
前文链接：MobileNet-v1详解

概述

MobileNet-v2的主要思想就是在v1的基础上引入了线性瓶颈 (Linear Bottleneck)和逆残差 (Inverted Residual)来提高网络的表征能力，同样也是一种轻量级的卷积神经网络。MobileNet-v1的主要思想就是深度可分离卷积，如果对这个方面不太了解的话，可以参考我的另一篇文章，链接已放在文章开头。

1. MobileNet-v1存在的问题

结构问题：MobileNet-v1的结构非常简单，类似于VGGNet，是一个非常复古的直筒结构。这种结构的性价比其实不高，后续一系列的ResNet、DenseNet等结构已经证明通过复用图像特征，使用Concat/Elwise+等操作进行融合，能极大提升网络的性价比。
Depthwise convolution存在的问题：Depthwise convolution确实是大大降低了计算量，Depthwise+Pointwise的结构在性能上也能接近普通卷积。但是在实际应用时我们发现Depthwsie部分的kernel比较容易训废掉，训练完之后发现Depthwise训出来的kernel有不少是空的。因为depthwise每个kernel_dim相对于普通卷积要小得多，过小的kernel_dim加上ReLU的激活影响下，使得输出神经元很容易变为0，所以就学废了。ReLU对于0的输出梯度为0，所以一旦陷入0输出，就没法恢复了。

2. Inverted Residual（逆残差）

原始Residual block和Inverted residual block对比

（a）Original residual block：reduce – transfer – expand （中间窄两头宽）
Residual block先用1x1卷积降通道过ReLU，再3x3卷积过ReLU，最后再用1x1卷积过ReLU恢复通道，并和输入相加。之所以要1*1卷积降通道，是为了减少计算量，不然中间的3x3卷积计算量太大。所以Residual block是中间窄两头宽。
（b）Inverted residual block：expand – transfer – reduce （中间宽两头窄）
在Inverted Residual block中，3x3卷积变成Depthwise了，计算量很少了，所以通道数可以多一点，效果更好，所以通过1x1卷积先提升通道数，再Depthwise3x3卷积，最后用1x1卷积降低通道数。两端的通道数都很小，所以1x1卷积升通道和降通道计算量都并不大，而中间的通道数虽然多，但是Depthwise 的卷积计算量也不大。下图即为具体实例：

– 为什么要使用Inverted residual

skip connection这种bottleneck的结构被证明很有效，所以想用。但是如果像以前那样先压缩channal，channal数本来就少，再压没了，所以不如先增大后减少。

3. Linear Bottleneck（线性瓶颈层）

Original bottlenecks：Elwise + with ReLU at end of a bottleneck
Linear bottlenecks：Elwise + with NO ReLU at the end of a bottleneck

论文中对这块的描述比较晦涩难懂，其实大致意思就是：我们在设计网络结构的时候，想要减少运算量，就需要尽可能将网络维度设计的低一些，但是维度如果低的话，ReLU激活函数可能会滤除很多有用信息。而ReLU对于没有滤除的部分，即非零的部分的作用是一个线性分类器。既然在低维空间中使用ReLU做激活变换会丢失很多信息，论文针对这个问题在Bottleneck末尾使用linear bottleneck(即不使用ReLU激活，做了线性变换)来代替原本的非线性激活变换。
实验证明，使用linear bottleneck可以防止非线性破坏太多信息。

– 为什么要使用Linear Bottleneck

ReLU让负半轴为0。本来参数就不多，学习能力就有限，这一下再让一些参数为0了，就更学不着什么东西了，干脆在elwise+那里不要ReLU了。

4. Inverted Residual + Linear Bottleneck

结构如下图所示。在MobileNet-v2的网络设计中，除了继续使用Depthwise Conv（Bottleneck中间的卷积层）结构之外，还使用了Expansion layer和 Projection layer。Expansion layer是使用1x1卷积将低维空间映射到高维空间（扩大通道数），这里Expansion有一个超参数是维度扩展几倍，可以根据实际情况来做调整的，默认值是6，也就是扩展6倍。Projection layer也是使用1x1卷积，他的目的是希望把高维特征映射到低维空间去（减小通道数）。需要注意的是residual connection是在输入和输出的部分进行连接。另外，前面已经说过，因为从高维向低维转换，使用ReLU激活函数可能会造成信息丢失或破坏，所以在Projection convolution这一部分，我们不再使用ReLU激活函数而是使用线性激活函数。

5. MobileNet-v2整体网络结构

MobileNetV2的模型如下图所示，其中t为Bottleneck内部升维的倍数，c为通道数，n为该bottleneck重复的次数，s为sride。

       其中，当stride=1时，才会使用elementwise 的sum将输入和输出特征连接（如下图左侧）；stride=2时，无short cut连接输入和输出特征（下图右侧）。

● 需要注意的是：
       1）当n>1时（即该瓶颈层重复的次数>1），只在第一个瓶颈层stride为对应的s，其他重复的瓶颈层stride均为1;
       2）只在stride=1时，输出特征尺寸和输入特征尺寸一致，才会使用elementwise sum将输出与输入相加;
       3）当n>1时，只在第一个瓶颈层升维，其他时候channel不变。（针对整个瓶颈层的维度）

（例如，对于该图中56x56x24的那层，共有3个该瓶颈层，只在第一个瓶颈层使用stride=2，后两个瓶颈层stride=1；第一个瓶颈层由于输入和输出尺寸不一致，因而无short cut连接，后两个由于stride=1，输入输出特征尺寸一致，会使用short cut将输入和输出特征进行elementwise的sum；另外，只在第一个瓶颈层最后的1x1conv对特征进行升维，后两个瓶颈层输出维度不变（不要和瓶颈层内部的升维弄混了）。该层输入特征为56x56x24，第一个瓶颈层输出为28x28x32（特征尺寸降低，特征维度增加，无short cut），第二个、第三个瓶颈层输入和输出均为28x28x32（此时c=32，s=1，有short cut）。）
另外表中还有一个k。mobileNet-v1中提出了宽度缩放因子，其作用是在整体上对网络的每一层维度（特征数量）进行瘦身。在MobileNetV2中，当k<1时，最后的1*1conv不进行宽度缩放，否则进行宽度缩放。

关于ReLU6：
卷积之后通常会接一个 ReLU 非线性激活，在 MobileNet 中使用 ReLU6。ReLU6 就是普通的 ReLU 但是限制最大输出为 6，这是为了在移动端设备 float16/int8 的低精度的时候也能有很好的数值分辨率。如果对 ReLU 的激活范围不加限制，输出范围为 0 到正无穷，如果激活值非常大，分布在一个很大的范围内，则低精度的 float16/int8 无法很好地精确描述如此大范围的数值，带来精度损失。