超越谷歌MobileNet！華為提出端側(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)GhostNet｜已開源
乾明 編輯整理
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
同樣精度，速度和計算量均少于此前SOTA算法。這就是華為諾亞方舟實驗室提出的新型端側(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)GhostNet。
GhostNet的核心是Ghost模塊，與普通卷積神經(jīng)網(wǎng)絡相比，在不更改輸出特征圖大小的情況下，其所需的參數(shù)總數(shù)和計算復雜度均已降低，而且即插即用。
在ImageNet分類任務中，GhostNet在各種計算復雜度級別上始終優(yōu)于其他競爭對手，比如谷歌的MobileNet系列、曠視的ShuffleNet系列、IGCV3、ProxylessNAS、FBNet、MnasNet等等。
關(guān)于GhostNet的論文已經(jīng)被CVPR 2020收錄，模型與代碼也已經(jīng)在GitHub上開源。華為諾亞方舟實驗室是如何做到的？我們根據(jù)作者團隊的解讀，一一看來。
核心理念：用更少的參數(shù)來生成更多特征圖
通常情況下，為了保證模型對輸入數(shù)據(jù)有全面的理解，訓練好的深度神經(jīng)網(wǎng)絡中，會包含豐富甚至冗余的特征圖。
如下圖所示，ResNet-50中，將經(jīng)過第一個殘差塊處理后的特征圖，會有出現(xiàn)很多相似的“特征圖對”——它們用相同顏色的框注釋。
這樣操作，雖然能實現(xiàn)較好的性能，但要更多的計算資源驅(qū)動大量的卷積層，來處理這些特征圖。
在將深度神經(jīng)網(wǎng)絡應用到移動設備的浪潮中，怎么保證性能不減，且計算量變得更少，成為研究的重點之一。
谷歌的MobileNet團隊，以及曠視的ShuffleNet團隊，最近想了不少辦法來構(gòu)建低計算量的深度神經(jīng)網(wǎng)絡。但他們采取的深度卷積或混洗操作，依舊是在卷積上下功夫——用較小的卷積核（浮點運算）。
華為諾亞實驗室的團隊沒有沿著這條路前進，而是另辟蹊徑：
“特征圖對”中的一個特征圖，可以通過廉價操作（上圖中的扳手）將另一特征圖變換而獲得，則可以認為其中一個特征圖是另一個的“幻影”。
這是不是意味著，并非所有特征圖都要用卷積操作來得到？“幻影”特征圖，也可以用更廉價的操作來生成？
于是就有GhostNet的基礎——Ghost模塊，用更少的參數(shù)，生成與普通卷積層相同數(shù)量的特征圖，其需要的算力資源，要比普通卷積層要低，集成到現(xiàn)有設計好的神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，則能夠降低計算成本。
具體的操作在這里就不詳細敘述了，如果你有興趣，可以去看下論文（地址在文末）。
構(gòu)建新型端側(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)GhostNet
利用Ghost模塊的優(yōu)勢，研究團隊提出了一個專門為小型CNN設計的Ghost bottleneck（G-bneck）。其架構(gòu)如下圖所示，與ResNet中的基本殘差塊（Basic Residual Block）類似，集成了多個卷積層和shortcut。
Ghost bottleneck主要由兩個堆疊的Ghost模塊組成。第一個用作擴展層，增加了通道數(shù)。第二個用于減少通道數(shù)，以與shortcut路徑匹配。然后，使用shortcut連接這兩個Ghost模塊的輸入和輸出。
研究團隊表示，這里借鑒了MobileNetV2中的思路：第二個Ghost模塊之后不使用ReLU，其他層在每層之后都應用了批量歸一化（BN）和ReLU非線性激活。
這里說的Ghost bottleneck，適用于上圖Stride= 1情況。對于Stride = 2的情況，shortcut路徑由下采樣層和Stride = 2的深度卷積（Depthwise Convolution）來實現(xiàn)。
此外，而且出于效率考慮，Ghost模塊中的初始卷積是點卷積（Pointwise Convolution）。
在Ghost bottleneck的基礎上，研究團隊提出了GhostNet——遵循MobileNetV3的基本體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，用Ghost bottleneck替換MobileNetV3中的bottleneck。
第一層是具有16個卷積核的標準卷積層，然后是一系列Ghost bottleneck，通道逐漸增加。
Ghost bottleneck根據(jù)輸入特征圖的大小分為不同的階段，除了每個階段的最后一個Ghost bottleneck是Stride = 2，其他所有Ghost bottleneck都以Stride = 1進行應用。
最后，會利用全局平均池和卷積層將特征圖轉(zhuǎn)換為1280維特征向量以進行最終分類。SE模塊也用在了某些Ghost bottleneck中的殘留層。與MobileNetV3相比，這里用ReLU換掉了Hard-swish激活函數(shù)。
研究團隊表示，這里的架構(gòu)只是一個基本的設計參考，進一步的超參數(shù)調(diào)整或基于自動架構(gòu)搜索的Ghost模塊將進一步提高性能。
ImageNet分類任務超過谷歌MobileNet
如此思路設計出來的神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)，性能到底如何？研究團隊從各個方面驗證。
首先，在CIFAR-10數(shù)據(jù)集上，他們將Ghost模塊用在VGG-16和ResNet-56架構(gòu)中，與幾個代表性的最新模型進行了比較。
Ghost-VGG-16 ( s=2)以最高的性能（93.7%）勝過競爭對手，但算力消耗（FLOPs）明顯減少。在比VGG-16小得多的ResNet-56上，基于Ghost模塊的模型，將計算量降低一半，還能獲得可比的精度。
在論文中，他們提供了Ghost模塊生成的特征圖。下圖展示了Ghost-VGG-16的第二層特征，左上方的圖像是輸入，左紅色框中的特征圖來自初始卷積，而右綠色框中的特征圖是經(jīng)過廉價深度變換后的幻影特征圖。
研究團隊表示，盡管生成的特征圖來自原始特征圖，但它們之間確實存在顯著差異，這意味著生成的特征足夠靈活，可以滿足特定任務的需求。
其次，在ImageNet數(shù)據(jù)集的分類任務上，他們測試了整個神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)的性能，衡量的指標，是ImageNet驗證集上single crop的top-1的性能。
下圖展示了GhostNet與現(xiàn)有最優(yōu)秀的幾種小型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的對比，參賽選手包括MobileNet系列、ShuffleNet系列、ProxylessNAS、FBNet、MnasNet等。
模型分為3個級別的計算復雜性，即~50，~150和200-300MFLOPs。通常FLOPs較大，這些小型網(wǎng)絡的準確性會更高——表明了它們的有效性。
GhostNet在各種計算復雜度級別上始終優(yōu)于其他競爭對手。研究團隊解釋稱，這主要是因為GhostNet在利用計算資源生成特征圖方面效率更高。
由于GhostNet是為移動設備設計，他們還使用TFLite工具，遵循MobileNet中的常用設置，使用Batch size為1的單線程模式，在基于ARM的手機（華為P30 Pro）上進一步測量GhostNet的實際推理速度，并與其他模型進行比較。
如上圖所示，與具有相同延遲的MobileNetV3相比，GhostNet大約提高了0.5%的top-1的準確性，另一方面GhostNet需要更少的運行時間來達到相同的精度。
例如，精度為75.0％的GhostNet僅具有40毫秒的延遲，而精度類似的MobileNetV3大約需要46毫秒來處理一張圖像。
因此，研究團隊表示，GhostNet總體上勝過其他最新模型，例如谷歌MobileNet系列，ProxylessNAS，F(xiàn)BNet和MnasNet等等。
華為諾亞方舟實驗室研究成果
這一研究的核心作者，主要來自于華為諾亞實驗室。
第一作者是韓凱，此前研究機構(gòu)為北京大學。第二作者是王云鶴，同樣畢業(yè)于北京大學。第三位作者是田奇，諾亞方舟實驗室首席計算機視覺科學家，也是這篇稿件的通訊作者。
這篇論文，是華為計算機視覺方向的最新研究成果之一。
此前在CVPR 2020年放榜時，王云鶴就曾在知乎上透露，其團隊一共有7篇論文被收錄。
他說，這些是他們小組辛辛苦苦攢了大半年的工作。emmm…
如果你對這一研究感興趣，可以收好下面的傳送門：
論文地址：
https://arxiv.org/abs/1911.11907
項目開源地址：
https://github.com/huawei-noah/ghostnet
