導讀

簡到極致、淺到極致！深度為6的網絡即可取得76.36%@ImageNet的精度，深度為13的VanillaNet甚至取得了83.1%的驚人性能。

VanillaNet: the Power of Minimalism in Deep Learning

論文地址：https://arxiv.org/abs/2305.12972

代碼地址：https://github.com/huawei-noah/VanillaNet

簡而淺的直桶狀網絡具有非常優秀的推理效率，但其訓練難度較高，難以取得優異性能。自AlexNet與VGG之后，鮮少有這種"直桶"狀且性能優異的網絡出現，其中的代表當屬RepVGG與ParNet。

• 通過引入結構重參數機制，RepVGG將"直桶狀"網絡重新煥發生機。但RepVGG的深度仍然有20+的深度，感興趣的同學可以查看讓你的ConvNet一卷到底，清華&曠視提出CNN設計新思路RepVGG
• 后來，Princeton大學的鄧嘉團隊提出了深度為12的網絡并在ImageNet數據集上達到了80.7%，但引入的注意力導致了額外的跳過連接，仍為達到極限推理效率。對ParNet一文感興趣的同學可查閱12層也能媲美ResNet？鄧嘉團隊提出最新力作ParNet，ImageNet top1精度直沖80.7%

就在這樣的環境下，簡到極致、淺到極致的網絡VanillaNet誕生了！！！深度為6的網絡即可取得76.36%@ImageNet的精度，深度為13的VanillaNet甚至取得了83.1%的驚人性能。

網絡架構

上圖給出了本文所提VanillaNet架構示意圖，有沒有覺得簡到極致了。

• 對于Stem部分，采用卷積進行特征變換；
• 對于body部分的每個stage，首先采用MaxPool進行特征下采樣，然后采用一個進行特征處理；
• 對于head部分，采用兩個非線性層進行分類處理。

值得注意的是，(1) 每個stage只有一個卷積;（2）VanillaNet沒有跳過連接。

盡管VanillaNet非常簡單且足夠淺，但其弱非線性能力會限制其性能。為此，作者從訓練策略與激活函數兩個維度來解決該問題。

訓練策略

在訓練階段，通過引入更強的容量來提升模型性能是很常見的。由于更深的網絡具有比淺層網絡更強的非線性表達能力，作者提出在訓練階段采用深度訓練技術為VanillaNet帶來更強的性能。

深度訓練策略

對于激活函數，我們將其與Identity進行組合，公式如下：

其中，是用于平衡非線性能力的超參數。假設當前epoch與總訓練Epoch分別表示為，那么定義。因此，在訓練初始階段，該修正版激活函數等價于原始激活函數，即，此時網絡具有較強的非線性表達能力；伴隨訓練收斂，修正版激活函數退化為Identity，即，這就意味著兩個卷積之間就不再有激活函數。

接下來，我們在說明一下如何合并兩個卷積層(在DBB一文中已有了非常詳細的公式介紹，而且對各種可折疊操作進行了非常詳細的介紹)。

我們先來介紹BN與前接卷積之間的合并方式。假設表示卷積的參數，BN層的參數分別表示為，合并后的參數表示如下：

在完成卷積與BN合并后，我們介紹如何合并兩個卷積。令分別表示輸入與輸出特征，卷積可表示如下：

基于上述卷積表示，我們可以將兩個連續卷積表示如下：

因此，兩個連續卷積可以進行合并且不會造成推理速度提升。

SIAF(Series Informed Activation Function)

盡管已有諸多非線性激活函數，如ReLU、PReLU、GeLU、Swish等，但這些它們主要聚焦于為深而復雜的網絡帶來性能提升。已有研究表明：簡而淺網絡的有限能力主要源于其弱非線性表達能力。

事實上，有兩種方式可用于改善神經網絡的非線性表達能力：堆疊非線性激活層、提升激活函數的非線性表達能力。現有方案往往采用了前者，前者往往會導致更高的推理延遲；而本文則聚焦于后者，即改善激活函數的非線性表達能力。

改善激活函數非線性能力能力的最直接的一種方式為stacking，序列堆疊也是深層網絡的核心。不同與此，作者提出了共生(concurrently)堆疊方式，可表示如下：

其中，n表示堆疊激活函數的數量，表示每個激活的scale與bias參數以避免簡單的累加。通過該處理，激活函數的非線性表達能力得到了大幅提升。

為進一步豐富表達能力，參考BNET，作者為其引入了全局信息學習能力，此時激活函數表示如下：

可以看到，當時，。也就是說，所提激活函數是現有激活函數的一種廣義擴展。因其推理高效性，作者采用ReLU作為基激活函數。

以卷積作為參考，作者進一步分析了所提激活函數的計算復雜度。卷積的計算復雜度可表示如下：

所提激活函數的計算復雜度表示為：

進而可以得出兩者之間的計算復雜度比例關系如下：

以VanillaNet-B第4階段為例，，該比例約為84，也就是說，所提激活函數的計算復雜度遠小于卷積。

classactivation(nn.ReLU):
def__init__(self,dim,act_num=3,deploy=False):
super(activation,self).__init__()
self.deploy=deploy
self.weight=torch.nn.Parameter(torch.randn(dim,1,act_num*2+1,act_num*2+1))
self.bias=None
self.bn=nn.BatchNorm2d(dim,eps=1e-6)
self.dim=dim
self.act_num=act_num
weight_init.trunc_normal_(self.weight,std=.02)

defforward(self,x):
ifself.deploy:
returntorch.nn.functional.conv2d(
super(activation,self).forward(x),
self.weight,self.bias,padding=(self.act_num*2+1)//2,groups=self.dim)
else:
returnself.bn(torch.nn.functional.conv2d(
super(activation,self).forward(x),
self.weight,padding=(self.act_num*2+1)//2,groups=self.dim))

def_fuse_bn_tensor(self,weight,bn):
kernel=weight
running_mean=bn.running_mean
running_var=bn.running_var
gamma=bn.weight
beta=bn.bias
eps=bn.eps
std=(running_var+eps).sqrt()
t=(gamma/std).reshape(-1,1,1,1)
returnkernel*t,beta+(0-running_mean)*gamma/std

defswitch_to_deploy(self):
kernel,bias=self._fuse_bn_tensor(self.weight,self.bn)
self.weight.data=kernel
self.bias=torch.nn.Parameter(torch.zeros(self.dim))
self.bias.data=bias
self.__delattr__('bn')
self.deploy=True

本文實驗

在過去幾年里，研究人員往往假設計算資源非常有限，依托ARM/CPU平臺，聚焦于減少網絡的FLOPs與推理延遲。但是，伴隨著AI芯片的研發進展，像自動駕駛等設備往往攜帶多個GPU以期獲取實時反饋。因此，本文的延遲基于bs=1進行測試，而非常規的吞吐量。基于此配置，作者發現：模型的推理速度與FLOPs、Params的相關性極低。

• 以MobileNetV3-Large為例，盡管其具有非常低的FLOPs，但其GPU延遲為7.83，遠高于VanillaNet13。這種配置的推理速度與復雜度和層數強相關；
• 對比ShuffleNetV2x1.5與ShuffleNetV2x2，盡管其參數量與FLOPs差別很大，但推理速度基本相同(7.23 vs 7.84)；
• 對比ResNet，VGGNet與VanillaNet可以看到：無額外分支與復雜模塊的的VGGNet、VanillaNet具有更高的推理速度。

基于上述分析，作者提出了VanillaNet這樣簡到極致，無任何額外分支，層數更少的架構。如上表所示，

• VanillaNet9取得了79.87%的精度，推理速度進而2.91ms，比ResNet50、ConvNeXtV2-P快50%；
• 當擴展至VanillaNet13-1.5x后，甚至取得了83.11%的指標。

這是不是意味著在ImageNet分類任務上，我們并不需要深而復雜的網絡呢？？？

上圖給出了不同架構深度與推理速度之間的關系圖，可以看到：

• 當bs=1時，推理速度與網絡的深度強相關，而非參數量。這意味著：簡而淺的網絡具有巨大的實時處理潛力。
• 在所有網絡中，VanillaNet取得了最佳的速度-精度均衡。這進一步驗證了：在計算資源充分時所提VanillaNet的優異性。

按照國際慣例，最后附上COCO檢測任務上的對比，見上表。可以看到：所提VanillaNet取得了與ConvNeXt、Swin相當的性能。盡管VanillaNet的FLOPs與參數量更多，但其推理速度明顯更快，進一步驗證了VanillaNet在下游任務的有效性。

最后附上不同大小模型的配置信息，參考如下。

全文到此結束，更多消融實驗建議查看原文。