mobileNetV2解析以及多个版本实现

Posted 2022-02-15 AI浩

mobileNetV2是对mobileNetV1的改进，是一种轻量级的神经网络。mobileNetV2保留了V1版本的深度可分离卷积，增加了线性瓶颈（Linear Bottleneck）和倒残差（Inverted Residual）。

MobileNetV2的模型如下图所示，其中t为瓶颈层内部升维的倍数，c为特征的维数，n为该瓶颈层重复的次数，s为瓶颈层第一个conv的步幅。

除第一层外，整个网络中使用恒定的扩展率。 在实验中，发现在 5 到 10 之间的扩展率会导致几乎相同的性能曲线，较小的网络在扩展率稍低的情况下效果更好，而较大的网络在扩展率较大的情况下性能稍好。

MobileNetV2主要使用 6 的扩展因子应用于输入张量的大小。 例如，对于采用 64 通道输入张量并产生具有 128 通道的张量的瓶颈层，则中间扩展层为 64×6 = 384 通道。

线性瓶颈

对于mobileNetV1的深度可分离卷积而言， 宽度乘数压缩后的M维空间后会通过一个非线性变换ReLU，根据ReLU的性质，输入特征若为负数，该通道的特征会被清零，本来特征已经经过压缩，这会进一步损失特征信息；若输入特征是正数，经过激活层输出特征是还原始的输入值，则相当于线性变换。

瓶颈层的具体结构如下表所示。输入通过1的conv+ReLU层将维度从k维增加到tk维，之后通过3×3conv+ReLU可分离卷积对图像进行降采样（stride>1时），此时特征维度已经为tk维度，最后通过1*1conv（无ReLU）进行降维，维度从tk降低到k维。

倒残差

残差块已经在ResNet中得到证明，有助于提高精度构建更深的网络，所以mobileNetV2也引入了类似的块。经典的残差块（residual block）的过程是：1x1(降维)–>3x3(卷积)–>1x1(升维)， 但深度卷积层（Depthwise convolution layer）提取特征限制于输入特征维度，若采用残差块，先经过1x1的逐点卷积（Pointwise convolution）操作先将输入特征图压缩，再经过深度卷积后，提取的特征会更少。所以mobileNetV2是先经过1x1的逐点卷积操作将特征图的通道进行扩张，丰富特征数量，进而提高精度。这一过程刚好和残差块的顺序颠倒，这也就是倒残差的由来：1x1(升维)–>3x3(dw conv+relu)–>1x1(降维+线性变换)。

结合上面对线性瓶颈和倒残差的理解，我绘制了Block的结构图。如下图：

Block的代码实现：

pytorch版本

def Conv3x3BNReLU(in_channels,out_channels,stride,groups):
    return nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=in_channels, out_channels=out_channels, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, groups=groups),
            nn.BatchNorm2d(out_channels),
            nn.ReLU6(inplace=True)
        )

def Conv1x1BNReLU(in_channels,out_channels):
    return nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=in_channels, out_channels=out_channels, kernel_size=1, stride=1),
            nn.BatchNorm2d(out_channels),
            nn.ReLU6(inplace=True)
        )

def Conv1x1BN(in_channels,out_channels):
    return nn.Sequential(
            nn.Conv2d(in_channels=in_channels, out_channels=out_channels, kernel_size=1, stride=1),
            nn.BatchNorm2d(out_channels)
        )

class InvertedResidual(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels, stride, expansion_factor=6):
        super(InvertedResidual, self).__init__()
        self.stride = stride
        mid_channels = (in_channels * expansion_factor)

        self.bottleneck = nn.Sequential(
            Conv1x1BNReLU(in_channels, mid_channels),
            Conv3x3BNReLU(mid_channels, mid_channels, stride,groups=mid_channels),
            Conv1x1BN(mid_channels, out_channels)
        )

        if self.stride == 1:
            self.shortcut = Conv1x1BN(in_channels, out_channels)

    def forward(self, x):
        out = self.bottleneck(x)
        out = (out+self.shortcut(x)) if self.stride==1 else out
        return out

keras版本

def relu6(x):
    return K.relu(x, max_value=6)

# 保证特征层数为8的倍数
def make_divisible(v, divisor, min_value=None):
    if min_value is None:
        min_value = divisor
    new_v = max(min_value, int(v+divisor/2)//divisor*divisor) #//向下取整，除
    if new_v<0.9*v:
        new_v +=divisor
    return new_v

def pad_size(inputs, kernel_size):

    input_size = inputs.shape[1:3]

    if isinstance(kernel_size, int):
        kernel_size = (kernel_size, kernel_size)

    if input_size[0] is None:
        adjust = (1,1)

    else:
        adjust = (1- input_size[0]%2, 1-input_size[1]%2)
    
    correct = (kernel_size[0]//2, kernel_size[1]//2)

    return ((correct[0] - adjust[0], correct[0]),
            (correct[1] - adjust[1], correct[1]))

def conv_block (x, nb_filter, kernel=(1,1), stride=(1,1), name=None):

    x = Conv2D(nb_filter, kernel, strides=stride, padding='same', use_bias=False, name=name+'_expand')(x)
    x = BatchNormalization(axis=3, name=name+'_expand_BN')(x)
    x = Activation(relu6, name=name+'_expand_relu')(x)

    return x


def depthwise_res_block(x, nb_filter, kernel, stride, t, alpha, resdiual=False, name=None):

    input_tensor=x
    exp_channels= x.shape[-1]*t  #扩展维度
    alpha_channels = int(nb_filter*alpha)     #压缩维度

    x = conv_block(x, exp_channels, (1,1), (1,1), name=name)

    if stride[0]==2:
        x = ZeroPadding2D(padding=pad_size(x, 3), name=name+'_pad')(x)

    x = DepthwiseConv2D(kernel, padding='same' if stride[0]==1 else 'valid', strides=stride, depth_multiplier=1, use_bias=False, name=name+'_depthwise')(x)

    x = BatchNormalization(axis=3, name=name+'_depthwise_BN')(x)
    x = Activation(relu6, name=name+'_depthwise_relu')(x)

    x = Conv2D(alpha_channels, (1,1), padding='same', use_bias=False, strides=(1,1), name=name+'_project')(x)
    x = BatchNormalization(axis=3, name=name+'_project_BN')(x)

    if resdiual:
        x = layers.add([x, input_tensor], name=name+'_add')

    return x