用13层拿下83.1%的性能！华为诺亚提出全新骨干架构VanillaNet：开辟基础模型新思路

论文地址：https://arxiv.org/abs/2305.12972

代码地址：https://github.com/huawei-noah/VanillaNet

简而浅的直桶状网络具有非常优秀的推理效率，但其训练难度较高，难以取得优异性能。自AlexNet与VGG之后，鲜少有这种"直桶"状且性能优异的网络出现，其中的代表当属RepVGG与ParNet。

• 通过引入结构重参数机制，RepVGG将"直桶状"网络重新焕发生机。但RepVGG的深度仍然有20+的深度，感兴趣的同学可以查看让你的ConvNet一卷到底，清华&旷视提出CNN设计新思路RepVGG
• 后来，Princeton大学的邓嘉团队提出了深度为12的网络并在ImageNet数据集上达到了80.7%，但引入的注意力导致了额外的跳过连接，仍为达到极限推理效率。对ParNet一文感兴趣的同学可查阅12层也能媲美ResNet？邓嘉团队提出最新力作ParNet，ImageNet top1精度直冲80.7%

就在这样的环境下，简到极致、浅到极致的网络VanillaNet诞生了！！！深度为6的网络即可取得76.36%@ImageNet的精度，深度为13的VanillaNet甚至取得了83.1%的惊人性能。

网络架构

上图给出了本文所提VanillaNet架构示意图，有没有觉得简到极致了。

• 对于Stem部分，采用 卷积进行特征变换；
• 对于body部分的每个stage，首先采用MaxPool进行特征下采样，然后采用一个 进行特征处理；
• 对于head部分，采用两个非线性层进行分类处理。

值得注意的是，(1) 每个stage只有一个 卷积;（2）VanillaNet没有跳过连接。

尽管VanillaNet非常简单且足够浅，但其弱非线性能力会限制其性能。为此，作者从训练策略与激活函数两个维度来解决该问题。

训练策略

在训练阶段，通过引入更强的容量来提升模型性能是很常见的。由于更深的网络具有比浅层网络更强的非线性表达能力，作者提出在训练阶段采用深度训练技术为VanillaNet带来更强的性能。

深度训练策略

对于激活函数 ，我们将其与Identity进行组合，公式如下：

其中， 是用于平衡非线性能力的超参数。假设当前epoch与总训练Epoch分别表示为 ，那么定义 。因此，在训练初始阶段，该修正版激活函数等价于原始激活函数，即 ，此时网络具有较强的非线性表达能力；伴随训练收敛，修正版激活函数退化为Identity，即 ，这就意味着两个卷积之间就不再有激活函数。

接下来，我们在说明一下如何合并两个卷积层(在DBB一文中已有了非常详细的公式介绍，而且对各种可折叠操作进行了非常详细的介绍)。

我们先来介绍BN与前接卷积之间的合并方式。假设表示卷积的参数，BN层的参数分别表示为 ，合并后的参数表示如下：

在完成卷积与BN合并后，我们介绍如何合并两个 卷积。令分别表示输入与输出特征，卷积可表示如下：

基于上述卷积表示，我们可以将两个连续卷积表示如下：

因此，两个连续 卷积可以进行合并且不会造成推理速度提升。

SIAF(Series Informed Activation Function)

尽管已有诸多非线性激活函数，如ReLU、PReLU、GeLU、Swish等，但这些它们主要聚焦于为深而复杂的网络带来性能提升。已有研究表明：简而浅网络的有限能力主要源于其弱非线性表达能力。

事实上，有两种方式可用于改善神经网络的非线性表达能力：堆叠非线性激活层、提升激活函数的非线性表达能力。现有方案往往采用了前者，前者往往会导致更高的推理延迟；而本文则聚焦于后者，即改善激活函数的非线性表达能力。

改善激活函数非线性能力能力的最直接的一种方式为stacking，序列堆叠也是深层网络的核心。不同与此，作者提出了共生(concurrently)堆叠方式，可表示如下：

其中，n表示堆叠激活函数的数量， 表示每个激活的scale与bias参数以避免简单的累加。通过该处理，激活函数的非线性表达能力得到了大幅提升。

为进一步丰富表达能力，参考BNET，作者为其引入了全局信息学习能力，此时激活函数表示如下：

可以看到，当 时， 。也就是说，所提激活函数是现有激活函数的一种广义扩展。因其推理高效性，作者采用ReLU作为基激活函数。

以卷积作为参考，作者进一步分析了所提激活函数的计算复杂度。卷积的计算复杂度可表示如下：

所提激活函数的计算复杂度表示为：

进而可以得出两者之间的计算复杂度比例关系如下：

以VanillaNet-B第4阶段为例， ，该比例约为84，也就是说，所提激活函数的计算复杂度远小于卷积。

class activation(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)

    def forward(self, x):
        if self.deploy:
            return torch.nn.functional.conv2d(
                super(activation, self).forward(x), 
                self.weight, self.bias, padding=(self.act_num*2 + 1)//2, groups=self.dim)
        else:
            return self.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)
        return kernel * t, beta + (0 - running_mean) * gamma / std
    
    def switch_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

本文实验

在过去几年里，研究人员往往假设计算资源非常有限，依托ARM/CPU平台，聚焦于减少网络的FLOPs与推理延迟。但是，伴随着AI芯片的研发进展，像自动驾驶等设备往往携带多个GPU以期获取实时反馈。因此，本文的延迟基于bs=1进行测试，而非常规的吞吐量。基于此配置，作者发现：模型的推理速度与FLOPs、Params的相关性极低。

• 以MobileNetV3-Large为例，尽管其具有非常低的FLOPs，但其GPU延迟为7.83，远高于VanillaNet13。这种配置的推理速度与复杂度和层数强相关；
• 对比ShuffleNetV2x1.5与ShuffleNetV2x2，尽管其参数量与FLOPs差别很大，但推理速度基本相同(7.23 vs 7.84)；
• 对比ResNet，VGGNet与VanillaNet可以看到：无额外分支与复杂模块的的VGGNet、VanillaNet具有更高的推理速度。

基于上述分析，作者提出了VanillaNet这样简到极致，无任何额外分支，层数更少的架构。如上表所示，

• VanillaNet9取得了79.87%的精度，推理速度进而2.91ms，比ResNet50、ConvNeXtV2-P快50%；
• 当扩展至VanillaNet13-1.5x后，甚至取得了83.11%的指标。

这是不是意味着在ImageNet分类任务上，我们并不需要深而复杂的网络呢？？？

上图给出了不同架构深度与推理速度之间的关系图，可以看到：

• 当bs=1时，推理速度与网络的深度强相关，而非参数量。这意味着：简而浅的网络具有巨大的实时处理潜力。
• 在所有网络中，VanillaNet取得了最佳的速度-精度均衡。这进一步验证了：在计算资源充分时所提VanillaNet的优异性。

按照国际惯例，最后附上COCO检测任务上的对比，见上表。可以看到：所提VanillaNet取得了与ConvNeXt、Swin相当的性能。尽管VanillaNet的FLOPs与参数量更多，但其推理速度明显更快，进一步验证了VanillaNet在下游任务的有效性。

最后附上不同大小模型的配置信息，参考如下。

全文到此结束，更多消融实验建议查看原文。