机器学习 -- 盘点卷积神经网络中十大令人拍案叫绝的操作
CNN 从 2012 年的 AlexNet 发展至今，科学家们发明出各种各样的 CNN 模型，一个比一个深，一个比一个准确，一个比一个轻量。我下面会对近几年一些具有变革性的工作进行简单盘点，从这些充满革新性的工作中探讨日后的 CNN 变革方向。
卷积只能在同一组进行吗？– Group convolution
Group convolution 分组卷积，最早在 AlexNet 中出现，由于当时的硬件资源有限，训练 AlexNet 时卷积操作不能全部放在同一个 GPU 处理，因此作者把 feature maps 分给多个 GPU 分别进行处理，最后把多个 GPU 的结果进行融合。
alexnet
分组卷积的思想影响比较深远，当前一些轻量级的 SOTA（State Of The Art）网络，都用到了分组卷积的操作，以节省计算量。但题主有个疑问是，如果分组卷积是分在不同 GPU 上的话，每个 GPU 的计算量就降低到 1/groups，但如果依然在同一个 GPU 上计算，最终整体的计算量是否不变？找了 pytorch 上有关组卷积操作的介绍，望读者解答我的疑问。
pytroch github
二、卷积核一定越大越好？– 3×3 卷积核
AlexNet 中用到了一些非常大的卷积核，比如 11×11、5×5 卷积核，之前人们的观念是，卷积核越大，receptive field（感受野）越大，看到的图片信息越多，因此获得的特征越好。虽说如此，但是大的卷积核会导致计算量的暴增，不利于模型深度的增加，计算性能也会降低。于是在 Inception 网络中，作者提出利用 2 个 3×3 卷积核的组合比 1 个 5×5 卷积核的效果更佳，同时参数量（3×3×2+1 VS 5×5×1+1）被降低，因此后来 3×3 卷积核被广泛应用在各种模型中。
三、每层卷积只能用一种尺寸的卷积核？– Inception 结构
传统的层叠式网络，基本上都是一个个卷积层的堆叠，每层只用一个尺寸的卷积核，例如 VGG 结构中使用了大量的 3×3 卷积层。事实上，同一层 feature map 可以分别使用多个不同尺寸的卷积核，以获得不同尺度的特征，再把这些特征结合起来，得到的特征往往比使用单一卷积核的要好，因此谷歌发明的 GoogleNet，或者说 Inception 系列的网络，就使用了多个卷积核的结构：
最初版本的 Inception 结构
如上图所示，一个输入的 feature map 分别同时经过 1×1、3×3、5×5 的卷积核的处理，得出的特征再组合起来，获得更佳的特征。但这个结构会存在一个严重的问题：参数量比单个卷积核要多很多，如此庞大的计算量会使得模型效率低下。这就引出了一个新的结构：
四、怎样才能减少卷积层参数量？– Bottleneck
发明 GoogleNet 的团队发现，如果仅仅引入多个尺寸的卷积核，会带来大量的额外的参数，为了解决这个问题，他们往 Inception 结构中加入了一些 1×1 的卷积核，如图所示：
加入 1×1 卷积核的 Inception 结构：
根据上图，我们看着 1×1 –> 3×3 这段通路，来做个计算，假设输入 feature map 的维度为 256 维，要求输出维度也是 256 维。有以下两种操作：
- 256 维的输入直接经过一个 3×3×256 的卷积层，输出一个 256 维的 feature map，那么参数量为：256×3×3×256 = 589,824
- 256 维的输入先经过一个 1×1×64 的卷积层，再经过一个 3×3×64 的卷积层，最后经过一个 3×3×256 的卷积层，输出 256 维，参数量为：256×1×1×64 + 64×3×3×63 + 64×1×1×256 = 69,632。足足把第一种操作的参数量降低到九分之一！
1×1 卷积核也被认为是影响深远的操作，往后大型的网络为了降低参数量都会应用上 1×1 卷积核。
五、越深的网络就越难训练吗？– Resnet 残差网络
ResNet skip connection
传统的卷积层层叠网络会遇到一个问题，当层数加深时，网络的表现越来越差，很大程度上的原因是因为当层数加深时，梯度消散得越来越严重，以至于反向传播很难训练到浅层的网络。
为了解决这个问题，何凯明大神想出了一个“残差网络”，使得梯度更容易地流动到浅层的网络当中去，而且这种“skip connection”能带来更多的好处，这里可以参考一个 PPT：
极深网络（ResNet/DenseNet）: Skip Connection 为何有效及其它 
，
以及我的一篇文章：
为什么 ResNet 和 DenseNet 可以这么深？一文详解残差块为何能解决梯度弥散问题。 
，大家可以结合下面的评论进行思考。
六、卷积操作时所有通道都只能用同一个过滤器吗？– DepthWise 操作
标准的卷积过程可以看上图，一个 2×2 的卷积核在卷积时， 对应图像区域中的所有通道均用同一个过滤器 ，问题在于，为什么一定要同时考虑图像区域和通道？我们为什么不能每个通道分开考虑？
Xception 网络就是基于以上的问题发明而来。我们首先对每一个通道进行各自的卷积操作，有多少个通道就有多少个过滤器。得到新的通道 feature maps 之后，这时再对这批新的通道 feature maps 进行标准的 1×1 跨通道卷积操作。这种操作被称为 “ DepthWise convolution ” ，缩写“DW”。
这种操作是相当有效的，在 imagenet 1000 类分类任务中已经超过了 InceptionV3 的表现，而且也同时减少了大量的参数，我们来算一算，假设输入通道数为 3，要求输出通道数为 256，两种做法：
- 直接接一个 3×3×256 的卷积核，参数量为：3×3×3×256 = 6,912
- DW 操作，分两步完成，参数量为：3×3×3 + 3×1×1×256 = 795，又把参数量降低到九分之一！
因此，一个 depthwise 操作比标准的卷积操作降低不少的参数量，同时得到更好的效果， 因为它对每一个通道都进行了学习（每个通道对应一个不同的过滤器），而不是所有通道对应同一个过滤器，得到的特征质量更佳！
七、分组卷积能否对通道进行随机分组？– ShuffleNet
在 AlexNet 的 Group Convolution 当中，特征的通道被平均分到不同组里面，最后再通过两个全连接层来融合特征，这样一来，就只能在最后时刻才融合不同组之间的特征，对模型的泛化性是相当不利的。为了解决这个问题，ShuffleNet 在每一次层叠这种 Group conv 层前，都进行一次 channel shuffle，shuffle 过的通道被分配到不同组当中。进行完一次 group conv 之后，再一次 channel shuffle，然后分到下一层组卷积当中，以此循环。
来自 ShuffleNet 论文
经过 channel shuffle 之后，Group conv 输出的特征能考虑到更多通道，输出的特征自然代表性就更高。另外，AlexNet 的分组卷积，实际上是标准卷积操作，而在 ShuffleNet 里面的分组卷积操作是 depthwise 卷积，因此结合了通道洗牌和分组 depthwise 卷积的 ShuffleNet，能得到超少量的参数以及超越 mobilenet、媲美 AlexNet 的准确率！
另外值得一提的是，微软亚洲研究院 MSRA 最近也有类似的工作，他们提出了一个 IGC 单元（Interleaved Group Convolution），即通用卷积神经网络交错组卷积， 形式上类似进行了两次组卷积，Xception 模块可以看作交错组卷积的一个特例，特别推荐看看这篇文章： 王井东详解 ICCV 2017 入选论文：通用卷积神经网络交错组卷积
要注意的是，Group conv 是一种 channel 分组的方式，Depthwise +Pointwise 是卷积的方式，只是 ShuffleNet 里面把两者应用起来了。因此 Group conv 和 Depthwise +Pointwise 并不能划等号。
八、通道间的特征都是平等的吗？ – SEnet
无论是在 Inception、DenseNet 或者 ShuffleNet 里面，我们对所有通道产生的特征都是不分权重直接结合的， 那为什么要认为所有通道的特征对模型的作用就是相等的呢？ 这是一个好问题，于是，ImageNet2017 冠军 SEnet 就出来了。
SEnet 结构
一组特征在上一层被输出，这时候分两条路线，第一条直接通过，第二条首先进行 Squeeze 操作（Global Average Pooling），把每个通道 2 维的特征压缩成一个 1 维， 从而得到一个特征通道向量（每个数字代表对应通道的特征）。然后进行 Excitation 操作，把这一列特征通道向量输入两个全连接层和 sigmoid，建模出特征通道间的相关性， 得到的输出其实就是每个通道对应的权重 ，把这些权重通过 Scale 乘法通道加权到原来的特征上（第一条路），这样就完成了特征通道的权重分配。 作者详细解释可以看这篇文章：专栏 | Momenta 详解 ImageNet 2017 夺冠架构 SENet
九、能否让固定大小的卷积核看到更大范围的区域？– Dilated convolution
标准的 3×3 卷积核只能看到对应区域 3×3 的大小，但是为了能让卷积核看到更大的范围，dilated conv 使其成为了可能。dilated conv 原论文中的结构如图所示：
上图 b 可以理解为卷积核大小依然是 3×3，但是每个卷积点之间有 1 个空洞，也就是在绿色 7×7 区域里面，只有 9 个红色点位置作了卷积处理，其余点权重为 0。
这样即使卷积核大小不变，但它看到的区域变得更大了。详细解释可以看这个回答：
如何理解空洞卷积（dilated convolution）？
十、卷积核形状一定是矩形吗？– Deformable convolution 可变形卷积核
图来自微软亚洲研究院公众号
传统的卷积核一般都是长方形或正方形，但 MSRA 提出了一个相当反直觉的见解， 认为卷积核的形状可以是变化的，变形的卷积核能让它只看感兴趣的图像区域 ，这样识别出来的特征更佳。
图来自微软亚洲研究院公众号
要做到这个操作，可以直接在原来的过滤器前面再加一层过滤器，这层过滤器学习的是下一层卷积核的位置偏移量（offset）， 这样只是增加了一层过滤器，或者直接把原网络中的某一层过滤器当成学习 offset 的过滤器，这样实际增加的计算量是相当少的，但能实现可变形卷积核，识别特征的效果更好。 详细 MSRA 的解读可以看这个链接：可变形卷积网络：计算机新“视”界。
启发与思考
现在越来越多的 CNN 模型从巨型网络到轻量化网络一步步演变，模型准确率也越来越高。现在工业界追求的重点已经不是准确率的提升（因为都已经很高了），都聚焦于速度与准确率的 trade off，都希望模型又快又准。因此从原来 AlexNet、VGGnet，到体积小一点的 Inception、Resnet 系列，到目前能移植到移动端的 mobilenet、ShuffleNet（体积能降低到 0.5mb！），我们可以看到这样一些趋势：
卷积核方面：
- 大卷积核用多个小卷积核代替；
- 单一尺寸卷积核用多尺寸卷积核代替；
- 固定形状卷积核趋于使用可变形卷积核；
- 使用 1×1 卷积核（bottleneck 结构）。
卷积层通道方面：
- 标准卷积用 depthwise 卷积代替；
- 使用分组卷积；
- 分组卷积前使用 channel shuffle；
- 通道加权计算。
卷积层连接方面：
- 使用 skip connection，让模型更深；
- densely connection，使每一层都融合上其它层的特征输出（DenseNet）
启发
类比到通道加权操作，卷积层跨层连接能否也进行加权处理？bottleneck + Group conv + channel shuffle + depthwise 的结合会不会成为以后降低参数量的标准配置？
如果你有更多的想法或意见，欢迎评论留言，好的 idea 值得交流传播。本人的知乎号是：Professor ho—知乎 ，简书上会发一些比较技术性的文章，如 GPU 降温等，知乎上会发比较理论性的见解文章，欢迎关注。
Refs
通道洗牌、变形卷积核、可分离卷积？盘点卷积神经网络中十大令人拍案叫绝的操作。 作者：人工智豪 链接：https://www.jianshu.com/p/71804c97123d 来源：简书 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
参考资料快照
.