部分卷积与FasterNet模型详解

2024-02-28 11:12

本文主要是介绍部分卷积与FasterNet模型详解,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

简介

论文原址:2023CVPR:https://arxiv.org/pdf/2303.03667.pdf

代码仓库:GitHub - JierunChen/FasterNet: [CVPR 2023] Code for PConv and FasterNet

为了设计快速神经网络,很多工作都集中于减少浮点运算(FLOPs)的数量上面,但是作者发现FLOPs的减少不一定会带来延迟的类似程度的减少。这源于每秒低浮点运算(FLOPs)的效率低下,而这源于FLOPs的运算符频繁访问内存,尤其是深度卷积,因此,提出了Partial Convolution,通过同时减少冗余计算和内存访问可以更有效地提取空间特征。并以此提出了FasterNet。

部分卷积

DWConv是Conv的一种流行变体,已被广泛用作许多神经网络的关键构建块,虽然DWConv(通常后跟逐点卷积或PWConv)可以有效地减少FLOPs,但不能简单地用于取代常规Conv,因为它会导致严重的精度下降。

在计算效率方面,PConv的FLOPs(浮点运算数)仅为常规卷积的一小部分,具体来说,当部分比例(partial ratio)为1/4时,FLOPs仅为常规卷积的1/16。内存访问量也显著减少,尤其在部分比例为1/4时,仅为常规卷积的1/4。

class PartialConv(nn.Module):def __init__(self, dim, n_div=4, kernel_size=3, forward='split_cat'):"""PartialConv 模块Args:dim (int): 输入张量的通道数。n_div (int): 分割通道数的分母,用于确定部分卷积的通道数。forward (str): 使用的前向传播方法,可选 'slicing' 或 'split_cat'。"""super().__init__()self.dim_conv3 = dim // n_divself.dim_untouched = dim - self.dim_conv3self.partial_conv3 = nn.Conv2d(self.dim_conv3, self.dim_conv3, kernel_size, 1, 1, bias=False)if forward == 'slicing':self.forward = self.forward_slicingelif forward == 'split_cat':self.forward = self.forward_split_catelse:raise NotImplementedErrordef forward_slicing(self, x):# only for inferencex = x.clone()   # !!! Keep the original input intact for the residual connection laterx[:, :self.dim_conv3, :, :] = self.partial_conv3(x[:, :self.dim_conv3, :, :])return xdef forward_split_cat(self, x):# for training/inferencex1, x2 = torch.split(x, [self.dim_conv3, self.dim_untouched], dim=1)x1 = self.partial_conv3(x1)x = torch.cat((x1, x2), 1)return x

在代码当中设计了两种前向传播方式:

"forward_slicing" 主要用于推理阶段,在推理时,复制输入张量,然后仅在部分通道上进行卷积操作,保持其余通道不变。避免了对原始输入张量的修改,使得原始输入张量可以在后续的计算中被保留,如用于残差连接。

"forward_split_cat" 可用于训练和推理阶段, 在训练和推理时,该方法将输入张量分割成两部分,对第一部分进行卷积操作,然后将结果与原始未修改的第二部分拼接回来。对于训练过程,通过在部分通道上进行卷积,模型可以学到更适应当前任务的特征。同时,保留了原始未修改的通道,以用于后续的计算。

FasterNet作为Backbone

它分为四个阶段(Stage),每个阶段包含一系列的FasterNet块(FasterNet Block),并在每个阶段之前有一个嵌入(Embedding)或合并(Merging)层。最后的三个层用于特征分类。

在每个FasterNet块内部,采用了Partial Convolution (PConv) 操作,其后接两个Pointwise Convolution (PWConv) 操作。这一结构有效利用了所有通道的信息,形成一个T形的卷积结构,使得模型更加关注中心位置的特征。在PConv操作后,只在中间层之后加入归一化和激活层,以保持特征的多样性和降低计算延迟。

对于激活函数的选择,根据计算预算的大小,选择了GELU(对于较小的FasterNet变体)和ReLU(对于较大的FasterNet变体)。最后三层,即全局平均池化、Conv 1x1和全连接层,用于进行特征变换和分类。

为了满足不同的计算预算,提供了四个不同大小的FasterNet变体,分别为FasterNet-T0/1/2、FasterNet-S、FasterNet-M和FasterNet-L。这些变体在深度和宽度上略有差异,但整体架构相似。详细的架构规格可在附录中找到。

下面的网络复现是参考的原作者以及下面paddle版本的实现:

"""
Paper address: <https://arxiv.org/pdf/2303.03667.pdf>
Reference from: https://github.com/JierunChen/FasterNet/blob/master/models/fasternet.py
Blog records: https://blog.csdn.net/m0_62919535/article/details/136334105
"""
import torch
import torch.nn as nn
from pyzjr.Models.bricks import DropPath__all__=["FasterNet", "FasterNetBlock", "fasternet_t0", "fasternet_t1", "fasternet_t2","fasternet_s", "fasternet_m", "fasternet_l"]class PartialConv(nn.Module):def __init__(self, dim, n_div=4, kernel_size=3, forward='split_cat'):"""PartialConv 模块Args:dim (int): 输入张量的通道数。n_div (int): 分割通道数的分母,用于确定部分卷积的通道数。forward (str): 使用的前向传播方法,可选 'slicing' 或 'split_cat'。"""super().__init__()self.dim_conv3 = dim // n_divself.dim_untouched = dim - self.dim_conv3self.partial_conv3 = nn.Conv2d(self.dim_conv3, self.dim_conv3, kernel_size, 1, 1, bias=False)if forward == 'slicing':self.forward = self.forward_slicingelif forward == 'split_cat':self.forward = self.forward_split_catelse:raise NotImplementedErrordef forward_slicing(self, x):# only for inferencex = x.clone()   # !!! Keep the original input intact for the residual connection laterx[:, :self.dim_conv3, :, :] = self.partial_conv3(x[:, :self.dim_conv3, :, :])return xdef forward_split_cat(self, x):# for training/inferencex1, x2 = torch.split(x, [self.dim_conv3, self.dim_untouched], dim=1)x1 = self.partial_conv3(x1)x = torch.cat((x1, x2), 1)return xclass FasterNetBlock(nn.Module):def __init__(self, dim, expand_ratio=2, act_layer=nn.ReLU, drop_path_rate=0.0, forward='split_cat'):super().__init__()self.pconv = PartialConv(dim, forward=forward)self.conv1 = nn.Conv2d(dim, dim * expand_ratio, 1, bias=False)self.bn = nn.BatchNorm2d(dim * expand_ratio)self.act_layer = act_layer()self.conv2 = nn.Conv2d(dim * expand_ratio, dim, 1, bias=False)self.drop_path = DropPath(drop_path_rate) if drop_path_rate > 0.0 else nn.Identity()def forward(self, x):residual = xx = self.pconv(x)x = self.conv1(x)x = self.bn(x)x = self.act_layer(x)x = self.conv2(x)x = residual + self.drop_path(x)return xclass FasterNet(nn.Module):def __init__(self, in_channel=3, embed_dim=40, act_layer=None,num_classes=1000, depths=None, drop_rate=0.0):super().__init__()# Embeddingself.stem = nn.Sequential(nn.Conv2d(in_channel, embed_dim, 4, stride=4, bias=False),nn.BatchNorm2d(embed_dim),act_layer())drop_path_list = [x.item() for x in torch.linspace(0, drop_rate, sum(depths))]self.feature = []embed_dim = embed_dimfor idx, depth in enumerate(depths):self.feature.append(nn.Sequential(*[FasterNetBlock(embed_dim, act_layer=act_layer, drop_path_rate=drop_path_list[sum(depths[:idx]) + i]) for i in range(depth)]))if idx < len(depths) - 1:# Mergingself.feature.append(nn.Sequential(nn.Conv2d(embed_dim, embed_dim * 2, 2, stride=2, bias=False),nn.BatchNorm2d(embed_dim * 2),act_layer()))embed_dim = embed_dim * 2self.feature = nn.Sequential(*self.feature)self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)self.conv1 = nn.Conv2d(embed_dim, 1280, 1, bias=False)self.act_layer = act_layer()self.fc = nn.Linear(1280, num_classes)for m in self.modules():if isinstance(m, nn.Conv2d):nn.init.kaiming_normal_(m.weight)elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):nn.init.constant_(m.weight, 1)nn.init.constant_(m.bias, 0)elif isinstance(m, nn.Linear):nn.init.constant_(m.bias, 0)def forward(self, x):x = self.stem(x)x = self.feature(x)x = self.avg_pool(x)x = self.conv1(x)x = self.act_layer(x)x = self.fc(x.flatten(1))return xdef fasternet_t0(num_classes, drop_path_rate=0.0):return FasterNet(embed_dim=40,act_layer=nn.GELU,num_classes=num_classes,depths=[1, 2, 8, 2],drop_rate=drop_path_rate)def fasternet_t1(num_classes, drop_path_rate=0.02):return FasterNet(embed_dim=64,act_layer=nn.GELU,num_classes=num_classes,depths=[1, 2, 8, 2],drop_rate=drop_path_rate)def fasternet_t2(num_classes, drop_path_rate = 0.05):return FasterNet(embed_dim=96,act_layer=nn.ReLU,num_classes=num_classes,depths=[1, 2, 8, 2],drop_rate=drop_path_rate)def fasternet_s(num_classes, drop_path_rate = 0.03):return FasterNet(embed_dim=128,act_layer=nn.ReLU,num_classes=num_classes,depths=[1, 2, 13, 2],drop_rate=drop_path_rate)def fasternet_m(num_classes, drop_path_rate = 0.05):return FasterNet(embed_dim=144,act_layer=nn.ReLU,num_classes=num_classes,depths=[3, 4, 18, 3],drop_rate=drop_path_rate)def fasternet_l(num_classes, drop_path_rate = 0.05):return FasterNet(embed_dim=192,act_layer=nn.ReLU,num_classes=num_classes,depths=[3, 4, 18, 3],drop_rate=drop_path_rate)if __name__=="__main__":import torchsummarydevice = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'input = torch.ones(2, 3, 224, 224).to(device)net = fasternet_t2(num_classes=4)net = net.to(device)out = net(input)print(out)print(out.shape)torchsummary.summary(net, input_size=(3, 224, 224))# t0 Total params: 2,629,624 Estimated Total Size (MB): 57.70# t1 Total params: 6,319,492 Estimated Total Size (MB): 100.02# t2 Total params: 13,707,012 Estimated Total Size (MB): 165.87# s Total params: 29,905,156 Estimated Total Size (MB): 304.56# m Total params: 52,245,588 Estimated Total Size (MB): 568.01# l Total params: 92,189,316 Estimated Total Size (MB): 843.09

参考文章

CVPR 2023 | 最新主干FasterNet!远超MobileViT等模型-CSDN博客

【CVPR2023】FasterNet:追逐更高FLOPS、更快的神经网络-CSDN博客

FasterNet实战:使用FasterNet实现图像分类任务(二)_fasternet代码实现-CSDN博客

这篇关于部分卷积与FasterNet模型详解的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/755341

相关文章

Redis中6种缓存更新策略详解

《Redis中6种缓存更新策略详解》Redis作为一款高性能的内存数据库,已经成为缓存层的首选解决方案,然而,使用缓存时最大的挑战在于保证缓存数据与底层数据源的一致性,本文将介绍Redis中6种缓存更... 目录引言策略一:Cache-Aside(旁路缓存)策略工作原理代码示例优缺点分析适用场景策略二:Re

Java注解之超越Javadoc的元数据利器详解

《Java注解之超越Javadoc的元数据利器详解》本文将深入探讨Java注解的定义、类型、内置注解、自定义注解、保留策略、实际应用场景及最佳实践,无论是初学者还是资深开发者,都能通过本文了解如何利用... 目录什么是注解?注解的类型内置注编程解自定义注解注解的保留策略实际用例最佳实践总结在 Java 编程

MySQL数据库约束深入详解

《MySQL数据库约束深入详解》:本文主要介绍MySQL数据库约束,在MySQL数据库中,约束是用来限制进入表中的数据类型的一种技术,通过使用约束,可以确保数据的准确性、完整性和可靠性,需要的朋友... 目录一、数据库约束的概念二、约束类型三、NOT NULL 非空约束四、DEFAULT 默认值约束五、UN

Python使用Matplotlib绘制3D曲面图详解

《Python使用Matplotlib绘制3D曲面图详解》:本文主要介绍Python使用Matplotlib绘制3D曲面图,在Python中,使用Matplotlib库绘制3D曲面图可以通过mpl... 目录准备工作绘制简单的 3D 曲面图绘制 3D 曲面图添加线框和透明度控制图形视角Matplotlib

MySQL中的分组和多表连接详解

《MySQL中的分组和多表连接详解》:本文主要介绍MySQL中的分组和多表连接的相关操作,本文通过实例代码给大家介绍的非常详细,感兴趣的朋友一起看看吧... 目录mysql中的分组和多表连接一、MySQL的分组(group javascriptby )二、多表连接(表连接会产生大量的数据垃圾)MySQL中的

Java 实用工具类Spring 的 AnnotationUtils详解

《Java实用工具类Spring的AnnotationUtils详解》Spring框架提供了一个强大的注解工具类org.springframework.core.annotation.Annot... 目录前言一、AnnotationUtils 的常用方法二、常见应用场景三、与 JDK 原生注解 API 的

redis中使用lua脚本的原理与基本使用详解

《redis中使用lua脚本的原理与基本使用详解》在Redis中使用Lua脚本可以实现原子性操作、减少网络开销以及提高执行效率,下面小编就来和大家详细介绍一下在redis中使用lua脚本的原理... 目录Redis 执行 Lua 脚本的原理基本使用方法使用EVAL命令执行 Lua 脚本使用EVALSHA命令

SpringBoot3.4配置校验新特性的用法详解

《SpringBoot3.4配置校验新特性的用法详解》SpringBoot3.4对配置校验支持进行了全面升级,这篇文章为大家详细介绍了一下它们的具体使用,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可以参考... 目录基本用法示例定义配置类配置 application.yml注入使用嵌套对象与集合元素深度校验开发

Python中的Walrus运算符分析示例详解

《Python中的Walrus运算符分析示例详解》Python中的Walrus运算符(:=)是Python3.8引入的一个新特性,允许在表达式中同时赋值和返回值,它的核心作用是减少重复计算,提升代码简... 目录1. 在循环中避免重复计算2. 在条件判断中同时赋值变量3. 在列表推导式或字典推导式中简化逻辑

Java Stream流使用案例深入详解

《JavaStream流使用案例深入详解》:本文主要介绍JavaStream流使用案例详解,本文通过实例代码给大家介绍的非常详细,对大家的学习或工作具有一定的参考借鉴价值,需要的朋友参考下吧... 目录前言1. Lambda1.1 语法1.2 没参数只有一条语句或者多条语句1.3 一个参数只有一条语句或者多