让你的ConvNet一卷到底，清华&旷视提出CNN设计新思路RepVGG

paper: httsp://arxiv.org/abs/2101.03697

code: https://github.com/DingXiaoH/RepVGG

Abstract

本文提出一种简单而强有力的CNN架构RepVGG，在推理阶段，它具有与VGG类似的架构，而在训练阶段，它则具有多分支架构体系，这种训练-推理解耦的架构设计源自一种称之为“重参数化(re-parameterization)”的技术。

在ImageNet数据集上，RepVGG取得了超过80%的top-1精度，这是plain模型首次达到如此高的精度。在NVIDIA 1080TiGPU上，RepVGG比ResNet50快83%，比ResNet101快101%，同时具有更高的精度；相比EfficientNet与RegNet，RepVGG表现出了更好的精度-速度均衡。

该文的主要贡献包含以下三个方面：

• 提出了一种简单有强有的CNN架构RepVGG，相比EfficientNet、RegNet等架构，RepVGG具有更佳的精度-速度均衡；
• 提出采用重参数化技术对plain架构进行训练-推理解耦；
• 在图像分类、语义分割等任务上验证了RepVGG的有效性。

Method

Simple is Fast, Memory-economical, Flexible

简单的ConvNet具有这样三点优势：

• Fast：相比VGG，现有的多分支架构理论上具有更低的Flops，但推理速度并未更快。比如VGG16的参数量为EfficientNetB3的8.4倍，但在1080Ti上推理速度反而快1.8倍。这就意味着前者的计算密度是后者的15倍。Flops与推理速度的矛盾主要源自两个关键因素：(1) MAC(memory access cose),比如多分支结构的Add与Cat的计算很小，但MAC很高; (2)并行度，已有研究表明：并行度高的模型要比并行度低的模型推理速度更快。
• Memory-economical：多分支结构是一种内存低效的架构，这是因为每个分支的结构都需要在Add/Concat之前保存，这会导致更大的峰值内存占用；而plain模型则具有更好的内存高效特征。
• Flexible：多分支结构会限制CNN的灵活性，比如ResBlock会约束两个分支的tensor具有相同的形状；与此同时，多分支结构对于模型剪枝不够友好。

Training-time Multi-branch Architecture

Palin模型具有多种优势但存在一个重要的弱势：性能差。比如VGG16在ImageNet仅能达到72%的top-1指标。

本文所设计的RepVGG则是受ResNet启发得到，ResNet的ResBlock显示的构建了一个短连接模型信息流 ，当 的维度不匹配时，上述信息流则转变为 。

尽管多分支结构对于推理不友好，但对于训练友好，作者将RepVGG设计为训练时的多分支，推理时单分支结构。作者参考ResNet的identity与 分支，设计了如下形式模块：

其中， 分别对应 卷积。在训练阶段，通过简单的堆叠上述模块构建CNN架构；而在推理阶段，上述模块可以轻易转换为 形式，且 的参数可以通过线性组合方式从已训练好的模型中转换得到。

Re-param for Plain Inference-time Model

接下来，我们将介绍如何将已训练模块转换成单一的 卷积用于推理。下图给出了参数转换示意图。

我们采用 表示输入 ，输出 ，卷积核为3的卷积；采用 表示输入 ，输出 ，卷积核为1的卷积；采用 表示 卷积后的BatchNorm的参数；采用 表示 卷积后的BatchNorm的参数;采用 表示identity分支的BatchNorm的参数。假设 分别表示输入与输出，当 时，

否则，简单的采用无identity分支的模块，也就是说只有前两项。注：bn表示推理时的BN。

首先，我们可以将每个BN与其前接Conv层合并：

注：identity分支可以视作 卷积。通过上述变换，此时上述模块仅仅具有一个 卷积核，两个 卷积核以及三个bias参数。此时，三个bias参数可以通过简单的add方式合并为一个bias；而卷积核则可以将 卷积核参数加到 卷积核的中心点得到。说起来复杂，其实看一下code就非常简单了，见文末code。

Architectural Specification

前面介绍了RepVGG的核心模块设计方式，接下来就要介绍RepVGG的网络结构如何设计了。下表给出了RepVGG的配置信息，包含深度与宽度。

RepVGG是一种类VGG的架构，在推理阶段它仅仅采用 卷积与ReLU，且未采用MaxPool。对于分类任务，采用GAP+全连接层作为输出头。

对于每个阶段的层数按照如下三种简单的规则进行设计：

• 第一个阶段具有更大的分辨率，故而更为耗时，为降低推理延迟仅仅采用了一个卷积层；
• 最后一个阶段因为具有更多的通道，为节省参数量，故而仅设计一个卷积层；
• 在倒数第二个阶段，类似ResNet，RepVGG放置了更多的层。

基于上述考量，RepVGG-A不同阶段的层数分别为1-2-4-14-1;与此同时，作者还构建了一个更深的RepVGG-B，其层数配置为1-4-6-16-1。RepVGG-A用于与轻量型网络和中等计算量网络对标，而RepVGG-B用于与高性能网络对标。

在不同阶段的通道数方面，作者采用了经典的配置64-128-256-512。与此同时，作者采用因子 控制前四个阶段的通道，因子 控制最后一个阶段的通道，通常 （我们期望最后一层具有更丰富的特征）。为避免大尺寸特征的高计算量，对于第一阶段的输出通道做了约束 。基于此得到的不同RepVGG见下表。

为进一步降低计算量与参数量，作者还设计了可选的 组卷积替换标准卷积。具体地说，在RepVGG-A的3-5-7-...-21卷积层采用了组卷积；此外，在RepVGG-B的23-25-27卷积层同样采用了组卷积。

Experiments

接下来，我们将在不同任务上验证所提方案的有效性，这里主要在ImageNet图像分类任务上进行了实验分析。

上表给出了RepVGG与不同计算量的ResNe及其变种在精度、速度、参数量等方面的对比。可以看到：RepVGG表现出了更好的精度-速度均衡，比如

• RepVGG-A0比ResNet18精度高1.25%，推理速度快33%；
• RepVGG-A1比Resnet34精度高0.29%，推理速度快64%；
• RepVGG-A2比ResNet50精度高0.17%，推理速度快83%；
• RepVGG-B1g4比ResNet101精度高0.37%，推理速度快101%；
• RepVGG-B1g2比ResNet152精度相当，推理速度快2.66倍。

另外需要注意的是：RepVGG同样是一种参数高效的方案。比如：相比VGG16，RepVGG-B2b168.com仅需58%参数量，推理快10%，精度高6.57%。

与此同时，还与EfficientNet、RegNet等进行了对比，对比如下：

• RepVGG-A2比EfficientNet-B0精度高1.37%，推理速度快59%；
• RepVGG-B1比RegNetX-3.2GF精度高0.39%，推理速度稍快；

此外需要注意：RepVGG仅需200epoch即可取得超过80%的top1精度，见上表对比。这应该是plain模型首次在精度上达到SOTA指标。相比RegNetX-12GF，RepVGG-B3的推理速度快31%，同时具有相当的精度。

尽管RepVGG是一种简单而强有力的ConvNet架构，它在GPU端具有更快的推理速度、更少的参数量和理论FLOPS；但是在低功耗的端侧，MobileNet、ShuffleNet会更受关注。

全文到此结束，更多消融实验分析建议各位同学查看原文。

题外话

话说在半个月多之前就听说xiangyu等人把ACNet的思想与Inception相结合设计了一种性能更好的重参数化方案RepVGG，即可取得训练时的性能提升，又可以保持推理高效，使得VGG类网络可以达到ResNet的高性能。

在初次看到RepVGG架构后，笔者就曾尝试将其用于VDSR图像超分方案中，简单一试，确实有了提升，而且不需要进行梯度裁剪等额外的一些操作，赞。

从某种程度上讲，RepVGG应该是ACNet的的一种极致精简，比如上图给出了ACNet的结构示意图，它采用了 三种卷积设计；而RepVGG则是仅仅采用了 三个分支设计。ACNet与RepVGG的另外一点区别在于：ACNet是将上述模块用于替换ResBlock或者Inception中的卷积，而RepVGG则是采用所设计的模块用于替换VGG中的卷积。

Code

最后附上作者提供的RepVGG的核心模块实现code，如下所示。

  

   

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

   
   
# code from https://github.com/DingXiaoH/RepVGGclass RepVGGBlock(nn.Module):    def __init__(self, in_channels, out_channels, kernel_size,                 stride=1, padding=0, dilation=1, groups=1, padding_mode='zeros', deploy=False):        super(RepVGGBlock, self).__init__()        self.deploy = deploy        self.groups = groups        self.in_channels = in_channels
        assert kernel_size == 3        assert padding == 1
        padding_11 = padding - kernel_size // 2
        self.nonlinearity = nn.ReLU()
        if deploy:            self.rbr_reparam = nn.Conv2d(in_channels=in_channels, out_channels=out_channels, kernel_size=kernel_size, stride=stride,                                      padding=padding, dilation=dilation, groups=groups, bias=True, padding_mode=padding_mode)
        else:            self.rbr_identity = nn.BatchNorm2d(num_features=in_channels) if out_channels == in_channels and stride == 1 else None            self.rbr_dense = conv_bn(in_channels=in_channels, out_channels=out_channels, kernel_size=kernel_size, stride=stride, padding=padding, groups=groups)            self.rbr_1x1 = conv_bn(in_channels=in_channels, out_channels=out_channels, kernel_size=1, stride=stride, padding=padding_11, groups=groups)            print('RepVGG Block, identity = ', self.rbr_identity)

    def forward(self, inputs):        if hasattr(self, 'rbr_reparam'):            return self.nonlinearity(self.rbr_reparam(inputs))
        if self.rbr_identity is None:            id_out = 0        else:            id_out = self.rbr_identity(inputs)
        return self.nonlinearity(self.rbr_dense(inputs) + self.rbr_1x1(inputs) + id_out)
    def _fuse_bn(self, branch):        if branch is None:            return 0, 0        if isinstance(branch, nn.Sequential):            kernel = branch.conv.weight.detach().cpu().numpy()            running_mean = branch.bn.running_mean.cpu().numpy()            running_var = branch.bn.running_var.cpu().numpy()            gamma = branch.bn.weight.detach().cpu().numpy()            beta = branch.bn.bias.detach().cpu().numpy()            eps = branch.bn.eps        else:            assert isinstance(branch, nn.BatchNorm2d)            kernel = np.zeros((self.in_channels, self.in_channels, 3, 3))            for i in range(self.in_channels):                kernel[i, i, 1, 1] = 1            running_mean = branch.running_mean.cpu().numpy()            running_var = branch.running_var.cpu().numpy()            gamma = branch.weight.detach().cpu().numpy()            beta = branch.bias.detach().cpu().numpy()            eps = branch.eps        std = np.sqrt(running_var + eps)        t = gamma / std        t = np.reshape(t, (-1, 1, 1, 1))        t = np.tile(t, (1, kernel.shape[1], kernel.shape[2], kernel.shape[3]))        return kernel * t, beta - running_mean * gamma / std
        def _pad_1x1_to_3x3(self, kernel1x1):        if kernel1x1 is None:            return 0        kernel = np.zeros((kernel1x1.shape[0], kernel1x1.shape[1], 3, 3))        kernel[:, :, 1:2, 1:2] = kernel1x1        return kernel
    def repvgg_convert(self):        kernel3x3, bias3x3 = self._fuse_bn(self.rbr_dense)        kernel1x1, bias1x1 = self._fuse_bn(self.rbr_1x1)        kernelid, biasid = self._fuse_bn(self.rbr_identity)        return kernel3x3 + self._pad_1x1_to_3x3(kernel1x1) + kernelid, bias3x3 + bias1x1 + biasid