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SqueezeNetSqueezeNext简述-轻量级网络

jiezi

SqueezeNet 系列是比较早期且经典的轻量级网络，SqueezeNet 使用 Fire 模块进行参数压缩，而 SqueezeNext 则在此基础上加入分离卷积进行改进。虽然 SqueezeNet 系列不如 MobieNet 使用广泛，但其架构思想和实验结论还是可以值得借鉴的。
 
来源：晓飞的算法工程笔记 公众号

SqueezeNet

论文: SqueezeNet: AlexNet-level accuracy with 50x fewer parameters and <0.5MB model size

  • 论文地址：https://arxiv.org/pdf/1602.07360.pdf
  • 论文代码：https://github.com/forresti/SqueezeNet

Introduction

  在深度学习崭露头角时候，很多研究都关注如何提高网络的准确率，而 SqueezeNet 则是早期开始关注轻量化网络的研究之一。论文的初衷是通过优化网络的结构，在与当前流行网络的准确率相差不大的情况下，大幅减少模型的参数。

SqueezeNet: Preserving Accuracy with Few Parameters

  • Architectural Design Strategies

  论文的轻量级网络设计主要包含以下策略：

  1. 替换 $3\times 3$ 卷积为 $1\times 1$ 卷积，由于 $1\times 1$ 卷积比 $3\times 3$ 卷积有 9 倍的参数减少。
  2. 减少 $3\times 3$ 卷积的输入维度，$3\times 3$ 卷积的总参数量为(number of input channels)(number of filters)(3*3)，使用 squeeze layers 降低输入维度，能够降低整体的计算量。
  3. 下采样操作尽量安排在网络较后的阶段，这样卷积层能够有较大的特征图，保存更多的信息，从而提高准确率。

  策略 1 和策略 2 主要为了减少网络的参数但保持准确率，策略 3 则是为了在有限的参数下最大化准确率。

  • The Fire Module

  SqueezeNet 的核心模块为 Fire 模块，结构如图 1 所示，输入层先通过 squeeze 卷积层 ($1\times 1$ 卷积) 进行维度压缩，然后通过 expand 卷积层 ($1\times 1$ 卷积和 $3\times 3$ 卷积混合) 进行维度扩展。Fire 模块包含 3 个参数，分别为 squeeze 层的 $1\times 1$ 卷积核数 $s_{1×1}$、expand 层的 $1\times 1$ 卷积核数 $e_{1×1}$ 和 expand 层的 $3\times 3$ 卷积核数 $e_{3×3}$，一般 $s_{1×1}<(e_{1×1}+e_{3×3})$

  • The SqueezeNet Architecture

  SqueezeNet 的结构如表 1 所示，在 conv1、fire4、fire8 和 conv10 后添加池化层进行池化操作，网络中逐步提高输出维度。每个 squeeze 层和 expand 层的输出都通过 ReLU 激活，而 fire9 模块后面会接 50% 的 Dropout。

Evaluation of SqueezeNet

  与 AlexNet 相比，相同准确率下，SqueezeNet 仅需要 1 /50 的参数量，量化后，最多可以缩小到 1 /510 的参数量。

CNN Microarchitecture Design Space Exploration

  论文对 Fire 模块的设定进行了探索实验，主要对比 squeeze 层的压缩比例以及 expand 层中的 $3\times 3$ 卷积占比。

CNN Macroarchitecture Design Space Exploration

  论文对网络的微架构进行了探索实验，主要是研究短路连接对网络的影响，对比的网络结构如图 2 所示。

Conclusion

  SqueezeNet 作为早期的轻量级网络研究工作，虽然准确率对比的是 AlexNet，但其网络压缩比是相当可观的，Fire 模块的设计也十分新颖。

SqueezeNext

论文: SqueezeNext: Hardware-Aware Neural Network Design

  • 论文地址：https://arxiv.org/pdf/1803.10615.pdf

Introduction

  SqueezeNext 是 SqueezeNet 实战版升级，直接和 MobileNet 对比性能。SqueezeNext 全部使用标准卷积，分析实际推理速度，优化的手段集中在网络整体结构的优化。

SqueezeNext Design

  SqueezeNext 的设计沿用残差结构，没有使用当时流行的深度卷积，而是直接使用了分离卷积，设计主要基于以下策略：

  • Low Rank Filters

  低秩分解的核心思想就是将大矩阵分解成多个小矩阵，这里使用 CP 分解(Canonical Polyadic Decomposition)，将 $K\times K$ 卷积分解成 $K\times 1$ 和 $1\times K$ 的分离卷积，参数量能从 $K^2$ 降为 $2K$。

  • Bottleneck Module

  参数量与输入输出维度有关，虽然可以使用深度卷积来减少计算量，但是深度卷积在终端系统的计算并不高效。因此采用 SqueezeNet 的 squeeze 层进行输入维度的压缩，每个 block 的开头使用连续两个 squeeze 层，每层降低 1 / 2 维度。

  • Fully Connected Layers

  在 AlexNet 中，全连接层的参数占总模型的 96%，SqueezeNext 使用 bottleneck 层来降低全连接层的输入维度，从而降低网络参数量。

  基础的 1.0-SqNxt-23 结构如图 3 所示，中间的 block 均为 SqueezeNext block，第一个 block 为正常的卷积，最后两个 block 分别为 bottleneck 模块以及全连接层。

Result

  论文对比了不同网络以及不同版本的 SqueezeNext，包括不同的网络长度，以及加入不同的结构。表中的 1.0 代表基础的层维度设置，G 代表卷积的 group size 设置为 2，后面的数字为总层数，IDA 代表使用 Iterative Deep Aggregation，融合多层进行输出。

  另外论文也对比了更宽的网络的性能，对维度进行了倍数放大。

  v5 的结构如图 9，在模拟硬件性能实验结果中发现，维度越低，计算性能也越低效，于是将更多的层操作集中在维度较高的 block。

Conclusion

  SqueezeNext 在 SqueezeNet 的压缩思想上，结合分离卷积进行参数压缩改进，文中的模拟硬件推理性能的实验做的很精彩，可以看到作者如何一步一步地改进网络的整体结构，有兴趣的可以去看看原文。

CONCLUSION

  SqueezeNet 系列是比较早期且经典的轻量级网络，SqueezeNet 使用 Fire 模块进行参数压缩，而 SqueezeNext 则在此基础上加入分离卷积进行改进。虽然 SqueezeNet 系列不如 MobieNet 使用广泛，但其架构思想和实验结论还是可以值得借鉴的。

 
 
 

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