• 轻量化网络 Mobilenet V1/V2/V3 学习记录


    参考视频

    2016年直至现在,业内提出了SqueezeNet、ShuffleNet、NasNet、MnasNet以及MobileNet等轻量级网络模型。这些模型使移动终端、嵌入式设备运行神经网络模型成为可能。

    V1(DW卷积)->V2(逆残差)->V3(SEattention)

    1. 传统卷积

    在这里插入图片描述

    • 输入特征in_channel=卷积核的channel
    • 输出特征图的out_channnel=卷积核的个数
      在这里插入图片描述
      计算量图像大小HW卷积核大小有关
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述

    2. Mobilenet V1

    2个亮点:

    • DepthWise Separable卷积(深度可分离卷积)大大减少运算量:DW卷积+PW卷积
    • 增加超参数alpha(控制卷积核个数)和beta(控制输入图像大小WH)

    2.1 DepthWise Separable卷积

    D W 卷积 ( 增大感受野,缩小特征图 W H ) + P W 卷积 ( 缩放特征图通道数 C ) DW卷积(增大感受野,缩小特征图WH)+PW卷积(缩放特征图通道数C) DW卷积(增大感受野,缩小特征图WH)+PW卷积(缩放特征图通道数C)
    Step1:逐通道独立卷积(DepthWise卷积)
    一个卷积核负责一个通道

    • 卷积核个数 = 输入特征图的in_channel = 输出特征图的out_channel
    • 卷积核的channnel = 1
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    Step2:逐点卷积(Pointwise卷积)
    卷积核1x1的普通卷积,省参数,N个卷积核得到N个特征图
    在这里插入图片描述
    Step3:串联DW卷积和PW卷积
    两步走的Separable卷积效果普通卷积相似,但计算量大大减小
    在这里插入图片描述

    深度可分离卷积 VS 普通卷积
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    2.2 整体结构

    在这里插入图片描述
    mobilenet v1一路卷积到底(单分支DW卷积块串行),但训练后DW卷积核很多参数为0,效果不理想。

    3. Mobilenet V2

    在这里插入图片描述

    3.1 逆残差

    • DW卷积:不改变通道数,但可缩小特征图WH
    • 1x1卷积:不改变特征图WH,但可缩放通道数C

    在这里插入图片描述

    • 原始残差:先降维,后升维。两边厚,中间薄。
    • 逆残差:先升维,后降维。两部薄,中间厚。

    在这里插入图片描述

    激活函数使用ReLU6:对ReLU设置max(6)
    在这里插入图片描述

    3.2 Relu干了坏事

    Relu使 低维特征 损失信息
    在这里插入图片描述
    逆残差块输出的是低位特征图(通道维度小),所以在输出时需要使用线性linear激活函数,避免信息损失,而在逆残差块其他部分,仍然使用ReLU6激活函数。
    在这里插入图片描述

    3.3 整体结构

    此处的bottleneck就是逆残差块,单分支一路卷积到底,bottleneck内部可能有shortcut。
    在这里插入图片描述

    4. Mobilenet V3

    亮点:

    • 更新bottleneck:引入SE attention,非线性激活函数NL将swish改为h-swish,用于替代relu6
    • 使用NAS搜索参数(Neural Architecture Search)
    • 重新设置耗时层(对搜索出来的网络逐层分析优化)

    4.1 更新bottleneck

    在这里插入图片描述

    ①SE Attention
    在这里插入图片描述
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    Step1:求每个通道的权重值(1x1xc)(全局平均池化)
    在这里插入图片描述

    Step2:使用两个全连接层计算权重值的回归值sc(1x1xc),然后完成加权操作(每个通道权重回归值sc x 每个通道原始特征图uc)

    在这里插入图片描述

    ②Switch激活函数
    基于Switch提出h-Switch激活函数,用于替代mobilenetV2中的relu6。
    S w i t c h ( x ) = x ∗ s i g m o i d ( x ) Switch(x)=x*sigmoid(x) Switch(x)=xsigmoid(x)
    在这里插入图片描述
    h − s i g m o i d ( x ) = r e l u 6 ( x + 3 ) / 6 h-sigmoid(x)=relu6(x+3)/6 hsigmoid(x)=relu6(x+3)/6

    h − S w i t c h ( x ) = x ∗ h − s i g m o i d ( x ) = x ∗ r e l u 6 ( x + 3 ) / 6 h-Switch(x)=x*h-sigmoid(x)=x*relu6(x+3)/6 hSwitch(x)=xhsigmoid(x)=xrelu6(x+3)/6
    在这里插入图片描述

    4.2 重新设置耗时层

    因为实验发现第一个卷积操作最后的卷积操作才是耗时性能瓶颈,所以减少了第一个卷积层的output channel从32到16,且减少最后两层卷积层数量
    在这里插入图片描述

    4.3 整体结构

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    5. Mobilenet V3 代码

    import torch
    import torch.nn as nn
    import torch.nn.functional as F
    from torch.nn import init
    
    
    
    class hswish(nn.Module):
        def forward(self, x):
            out = x * F.relu6(x + 3, inplace=True) / 6
            return out
    
    
    class hsigmoid(nn.Module):
        def forward(self, x):
            out = F.relu6(x + 3, inplace=True) / 6
            return out
    
    
    class SeModule(nn.Module):
        def __init__(self, in_size, reduction=4):
            super(SeModule, self).__init__()
            self.se = nn.Sequential(
                nn.AdaptiveAvgPool2d(1),
                nn.Conv2d(in_size, in_size // reduction, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(in_size // reduction),
                nn.ReLU(inplace=True),
                nn.Conv2d(in_size // reduction, in_size, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(in_size),
                hsigmoid()
            )
    
        def forward(self, x):
            return x * self.se(x)
    
    
    class Block(nn.Module):
        '''expand + depthwise + pointwise'''
        def __init__(self, kernel_size, in_size, expand_size, out_size, nolinear, semodule, stride):
            super(Block, self).__init__()
            self.stride = stride
            self.se = semodule
    
            self.conv1 = nn.Conv2d(in_size, expand_size, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False)
            self.bn1 = nn.BatchNorm2d(expand_size)
            self.nolinear1 = nolinear
            self.conv2 = nn.Conv2d(expand_size, expand_size, kernel_size=kernel_size, stride=stride, padding=kernel_size//2, groups=expand_size, bias=False)
            self.bn2 = nn.BatchNorm2d(expand_size)
            self.nolinear2 = nolinear
            self.conv3 = nn.Conv2d(expand_size, out_size, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False)
            self.bn3 = nn.BatchNorm2d(out_size)
    
            self.shortcut = nn.Sequential()
            if stride == 1 and in_size != out_size:
                self.shortcut = nn.Sequential(
                    nn.Conv2d(in_size, out_size, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False),
                    nn.BatchNorm2d(out_size),
                )
    
        def forward(self, x):
            out = self.nolinear1(self.bn1(self.conv1(x)))
            out = self.nolinear2(self.bn2(self.conv2(out)))
            out = self.bn3(self.conv3(out))
            if self.se != None:
                out = self.se(out)
            out = out + self.shortcut(x) if self.stride==1 else out
            return out
    
    
    class MobileNetV3_Large(nn.Module):
        def __init__(self, num_classes=1000):
            super(MobileNetV3_Large, self).__init__()
            self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, kernel_size=3, stride=2, padding=1, bias=False)
            self.bn1 = nn.BatchNorm2d(16)
            self.hs1 = hswish()
    
            self.bneck = nn.Sequential(
                Block(3, 16, 16, 16, nn.ReLU(inplace=True), None, 1),
                Block(3, 16, 64, 24, nn.ReLU(inplace=True), None, 2),
                Block(3, 24, 72, 24, nn.ReLU(inplace=True), None, 1),
                Block(5, 24, 72, 40, nn.ReLU(inplace=True), SeModule(40), 2),
                Block(5, 40, 120, 40, nn.ReLU(inplace=True), SeModule(40), 1),
                Block(5, 40, 120, 40, nn.ReLU(inplace=True), SeModule(40), 1),
                Block(3, 40, 240, 80, hswish(), None, 2),
                Block(3, 80, 200, 80, hswish(), None, 1),
                Block(3, 80, 184, 80, hswish(), None, 1),
                Block(3, 80, 184, 80, hswish(), None, 1),
                Block(3, 80, 480, 112, hswish(), SeModule(112), 1),
                Block(3, 112, 672, 112, hswish(), SeModule(112), 1),
                Block(5, 112, 672, 160, hswish(), SeModule(160), 1),
                Block(5, 160, 672, 160, hswish(), SeModule(160), 2),
                Block(5, 160, 960, 160, hswish(), SeModule(160), 1),
            )
    
    
            self.conv2 = nn.Conv2d(160, 960, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False)
            self.bn2 = nn.BatchNorm2d(960)
            self.hs2 = hswish()
            self.linear3 = nn.Linear(960, 1280)
            self.bn3 = nn.BatchNorm1d(1280)
            self.hs3 = hswish()
            self.linear4 = nn.Linear(1280, num_classes)
            self.init_params()
    
        def init_params(self):
            for m in self.modules():
                if isinstance(m, nn.Conv2d):
                    init.kaiming_normal_(m.weight, mode='fan_out')
                    if m.bias is not None:
                        init.constant_(m.bias, 0)
                elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                    init.constant_(m.weight, 1)
                    init.constant_(m.bias, 0)
                elif isinstance(m, nn.Linear):
                    init.normal_(m.weight, std=0.001)
                    if m.bias is not None:
                        init.constant_(m.bias, 0)
    
        def forward(self, x):
            out = self.hs1(self.bn1(self.conv1(x)))
            out = self.bneck(out)
            out = self.hs2(self.bn2(self.conv2(out)))
            out = F.avg_pool2d(out, 7)
            out = out.view(out.size(0), -1)
            out = self.hs3(self.bn3(self.linear3(out)))
            out = self.linear4(out)
            return out
    
    
    
    class MobileNetV3_Small(nn.Module):
        def __init__(self, num_classes=1000):
            super(MobileNetV3_Small, self).__init__()
            self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, kernel_size=3, stride=2, padding=1, bias=False)
            self.bn1 = nn.BatchNorm2d(16)
            self.hs1 = hswish()
    
            self.bneck = nn.Sequential(
                Block(3, 16, 16, 16, nn.ReLU(inplace=True), SeModule(16), 2),
                Block(3, 16, 72, 24, nn.ReLU(inplace=True), None, 2),
                Block(3, 24, 88, 24, nn.ReLU(inplace=True), None, 1),
                Block(5, 24, 96, 40, hswish(), SeModule(40), 2),
                Block(5, 40, 240, 40, hswish(), SeModule(40), 1),
                Block(5, 40, 240, 40, hswish(), SeModule(40), 1),
                Block(5, 40, 120, 48, hswish(), SeModule(48), 1),
                Block(5, 48, 144, 48, hswish(), SeModule(48), 1),
                Block(5, 48, 288, 96, hswish(), SeModule(96), 2),
                Block(5, 96, 576, 96, hswish(), SeModule(96), 1),
                Block(5, 96, 576, 96, hswish(), SeModule(96), 1),
            )
    
    
            self.conv2 = nn.Conv2d(96, 576, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=False)
            self.bn2 = nn.BatchNorm2d(576)
            self.hs2 = hswish()
            self.linear3 = nn.Linear(576, 1280)
            self.bn3 = nn.BatchNorm1d(1280)
            self.hs3 = hswish()
            self.linear4 = nn.Linear(1280, num_classes)
            self.init_params()
    
        def init_params(self):
            for m in self.modules():
                if isinstance(m, nn.Conv2d):
                    init.kaiming_normal_(m.weight, mode='fan_out')
                    if m.bias is not None:
                        init.constant_(m.bias, 0)
                elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                    init.constant_(m.weight, 1)
                    init.constant_(m.bias, 0)
                elif isinstance(m, nn.Linear):
                    init.normal_(m.weight, std=0.001)
                    if m.bias is not None:
                        init.constant_(m.bias, 0)
    
        def forward(self, x):
            out = self.hs1(self.bn1(self.conv1(x)))
            out = self.bneck(out)
            out = self.hs2(self.bn2(self.conv2(out)))
            out = F.avg_pool2d(out, 7)
            out = out.view(out.size(0), -1)
            out = self.hs3(self.bn3(self.linear3(out)))
            out = self.linear4(out)
            return out
    
    
    
    def test():
        net = MobileNetV3_Small()
        x = torch.randn(2,3,224,224)
        y = net(x)
        print(y.size())
    
    test()
    
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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/weixin_54338498/article/details/127845652