超越谷歌MobileNet！华为提出端侧神经网络架构GhostNet｜已开源

乾明 编辑整理
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

同样精度，速度和计算量均少于此前SOTA算法。这就是华为诺亚方舟实验室提出的新型端侧神经网络架构GhostNet。

GhostNet的核心是Ghost模块，与普通卷积神经网络相比，在不更改输出特征图大小的情况下，其所需的参数总数和计算复杂度均已降低，而且即插即用。

在ImageNet分类任务中，GhostNet在各种计算复杂度级别上始终优于其他竞争对手，比如谷歌的MobileNet系列、旷视的ShuffleNet系列、IGCV3、ProxylessNAS、FBNet、MnasNet等等。

关于GhostNet的论文已经被CVPR 2020收录，模型与代码也已经在GitHub上开源。华为诺亚方舟实验室是如何做到的？我们根据作者团队的解读，一一看来。

核心理念：用更少的参数来生成更多特征图

通常情况下，为了保证模型对输入数据有全面的理解，训练好的深度神经网络中，会包含丰富甚至冗余的特征图。

如下图所示，ResNet-50中，将经过第一个残差块处理后的特征图，会有出现很多相似的“特征图对”——它们用相同颜色的框注释。

这样操作，虽然能实现较好的性能，但要更多的计算资源驱动大量的卷积层，来处理这些特征图。

在将深度神经网络应用到移动设备的浪潮中，怎么保证性能不减，且计算量变得更少，成为研究的重点之一。

谷歌的MobileNet团队，以及旷视的ShuffleNet团队，最近想了不少办法来构建低计算量的深度神经网络。但他们采取的深度卷积或混洗操作，依旧是在卷积上下功夫——用较小的卷积核（浮点运算）。

华为诺亚实验室的团队没有沿着这条路前进，而是另辟蹊径：

“特征图对”中的一个特征图，可以通过廉价操作（上图中的扳手）将另一特征图变换而获得，则可以认为其中一个特征图是另一个的“幻影”。

这是不是意味着，并非所有特征图都要用卷积操作来得到？“幻影”特征图，也可以用更廉价的操作来生成？

于是就有GhostNet的基础——Ghost模块，用更少的参数，生成与普通卷积层相同数量的特征图，其需要的算力资源，要比普通卷积层要低，集成到现有设计好的神经网络结构中，则能够降低计算成本。

具体的操作在这里就不详细叙述了，如果你有兴趣，可以去看下论文（地址在文末）。

构建新型端侧神经网络架构GhostNet

利用Ghost模块的优势，研究团队提出了一个专门为小型CNN设计的Ghost bottleneck（G-bneck）。其架构如下图所示，与ResNet中的基本残差块（Basic Residual Block）类似，集成了多个卷积层和shortcut。

Ghost bottleneck主要由两个堆叠的Ghost模块组成。第一个用作扩展层，增加了通道数。第二个用于减少通道数，以与shortcut路径匹配。然后，使用shortcut连接这两个Ghost模块的输入和输出。

研究团队表示，这里借鉴了MobileNetV2中的思路：第二个Ghost模块之后不使用ReLU，其他层在每层之后都应用了批量归一化（BN）和ReLU非线性激活。

这里说的Ghost bottleneck，适用于上图Stride= 1情况。对于Stride = 2的情况，shortcut路径由下采样层和Stride = 2的深度卷积（Depthwise Convolution）来实现。

此外，而且出于效率考虑，Ghost模块中的初始卷积是点卷积（Pointwise Convolution）。

在Ghost bottleneck的基础上，研究团队提出了GhostNet——遵循MobileNetV3的基本体系结构的优势，用Ghost bottleneck替换MobileNetV3中的bottleneck。

第一层是具有16个卷积核的标准卷积层，然后是一系列Ghost bottleneck，通道逐渐增加。

Ghost bottleneck根据输入特征图的大小分为不同的阶段，除了每个阶段的最后一个Ghost bottleneck是Stride = 2，其他所有Ghost bottleneck都以Stride = 1进行应用。

最后，会利用全局平均池和卷积层将特征图转换为1280维特征向量以进行最终分类。SE模块也用在了某些Ghost bottleneck中的残留层。与MobileNetV3相比，这里用ReLU换掉了Hard-swish激活函数。

研究团队表示，这里的架构只是一个基本的设计参考，进一步的超参数调整或基于自动架构搜索的Ghost模块将进一步提高性能。

ImageNet分类任务超过谷歌MobileNet

如此思路设计出来的神经网络架构，性能到底如何？研究团队从各个方面验证。

首先，在CIFAR-10数据集上，他们将Ghost模块用在VGG-16和ResNet-56架构中，与几个代表性的最新模型进行了比较。

Ghost-VGG-16 ( s=2)以最高的性能（93.7%）胜过竞争对手，但算力消耗（FLOPs）明显减少。在比VGG-16小得多的ResNet-56上，基于Ghost模块的模型，将计算量降低一半，还能获得可比的精度。

在论文中，他们提供了Ghost模块生成的特征图。下图展示了Ghost-VGG-16的第二层特征，左上方的图像是输入，左红色框中的特征图来自初始卷积，而右绿色框中的特征图是经过廉价深度变换后的幻影特征图。

研究团队表示，尽管生成的特征图来自原始特征图，但它们之间确实存在显着差异，这意味着生成的特征足够灵活，可以满足特定任务的需求。

其次，在ImageNet数据集的分类任务上，他们测试了整个神经网络架构的性能，衡量的指标，是ImageNet验证集上single crop的top-1的性能。

下图展示了GhostNet与现有最优秀的几种小型网络结构的对比，参赛选手包括MobileNet系列、ShuffleNet系列、ProxylessNAS、FBNet、MnasNet等。

模型分为3个级别的计算复杂性，即~50，~150和200-300MFLOPs。通常FLOPs较大，这些小型网络的准确性会更高——表明了它们的有效性。

GhostNet在各种计算复杂度级别上始终优于其他竞争对手。研究团队解释称，这主要是因为GhostNet在利用计算资源生成特征图方面效率更高。

由于GhostNet是为移动设备设计，他们还使用TFLite工具，遵循MobileNet中的常用设置，使用Batch size为1的单线程模式，在基于ARM的手机（华为P30 Pro）上进一步测量GhostNet的实际推理速度，并与其他模型进行比较。

如上图所示，与具有相同延迟的MobileNetV3相比，GhostNet大约提高了0.5%的top-1的准确性，另一方面GhostNet需要更少的运行时间来达到相同的精度。

例如，精度为75.0％的GhostNet仅具有40毫秒的延迟，而精度类似的MobileNetV3大约需要46毫秒来处理一张图像。

因此，研究团队表示，GhostNet总体上胜过其他最新模型，例如谷歌MobileNet系列，ProxylessNAS，FBNet和MnasNet等等。

华为诺亚方舟实验室研究成果

这一研究的核心作者，主要来自于华为诺亚实验室。

第一作者是韩凯，此前研究机构为北京大学。第二作者是王云鹤，同样毕业于北京大学。第三位作者是田奇，诺亚方舟实验室首席计算机视觉科学家，也是这篇稿件的通讯作者。

这篇论文，是华为计算机视觉方向的最新研究成果之一。

此前在CVPR 2020年放榜时，王云鹤就曾在知乎上透露，其团队一共有7篇论文被收录。

他说，这些是他们小组辛辛苦苦攒了大半年的工作。emmm…

如果你对这一研究感兴趣，可以收好下面的传送门：

论文地址：
https://arxiv.org/abs/1911.11907

项目开源地址：
https://github.com/huawei-noah/ghostnet

— 完 —

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