A ConvNet for the 2020论文阅读笔记

2023-12-15 20:57:15

ConvNeXt

摘要

文章介绍道，视觉识别的 "Roaring 20s"始于ViT的引入，其迅速取代了卷积网络成为了最先进的图像分类模型。但最基本的ViT模型仅是被设计用来进行图像分类，难以应用于其他任务。而Swin Transformer的出现使得Transformer可以作为通用的骨干网络。然后作者介绍道，这种效果主要归功于Transformer的内在优势。因此作者对ResNet进行了现代化魔改，在取得了显著效果的同时相比于Swin Transformer而言保持了简单性与高效性。

介绍

作者首先介绍了10年开始卷积神经网络的复兴以及发展历程，之后说到卷积网络取得这样的地位并非偶然。滑动窗口使得处理高分辨率图像时变得有效，同时卷积网络有几个内置的归纳偏置，使得其非常适合应用于视觉领域。同时，在NLP领域，Transformer取代了RNN占据了主导地位。ViT的引入改变了视觉方面传统的网络架构的设计面貌。ViT没有引入关于图像的归纳偏置，仅仅是对Transformer做了最小的改动。之后，Swin Transformer的提出解决了图像高分辨率带来的问题，其成功表明卷积的特性仍然起着很大的作用。因此，作者想要试探纯粹的C卷积网络的极限，对ResNet-50进行了改造得到了ConvNeXt全家桶，为CNN续了一波。下面这张放在首页的图表明魔改的CNN仍然是你大爷。

对卷积网络进行现代化改造

论文的思路是对于原始的ResNet-50进行改造，借鉴Swin Transformer的思路一步一步对模型进行改进。

下图是每一步改造对于结果的影响（在ImageNet-1K进行测试），可以看到使用了若干Transformer的trick以后ConvneXt最终的准确率已经超过了Swin Transformer

Training Techniques

作者表明训练的过程对最终的结果也有影响。因此在实验中，选择将原本的90个epoch扩展到300个epoch，且使用AdamW作为optimizer，使用如Mixup等数据增强技术以及Stochas- tic Depth等正则化方法，最终效果提升了2.7个点。

Macro Design

这一方面作者主要从两个角度入手进行分析：

1. Changing stage compute ratio.

ResNet中各阶段的计算分布的设计主要是经验性的，为了适应下游任务，conv4_x（stage 3）堆叠的次数是最多的，比例为3:4:6:3。而Swin Transformer比例为1:1:3:1（Swin-L）。因此作者将ResNet中堆叠次数改为3:3:9:3，准确率从78.8%提升到了79.4%。

2. Changing stem to “Patchify”.

由于自然图像的冗余性，需要对其进行下采样。ResNet-50的下采样模块包含一个\(7\times 7\)的stride为2的卷积层以及一个最大池化层，下采样的倍率为4。而在ViT中，下采样的卷积层的卷积核非常大，且相邻窗口之间不重叠。Swin Transformer中选择kernel_size = (4, 4), stride = 4的卷积层进行下采样，因此作者将ResNet-50的stem也换成了这个，替换后提升了0.1个点。

注：最初的下采样模块称为stem

3. ResNeXt-ify

这一部分，作者借鉴了ResNeXt这个工作的主要思想，其核心就是分组卷积，通过对通道进行分组从而减少计算量。分组卷积相关知识这篇文章写的比较好：https://zhuanlan.zhihu.com/p/65377955

在本文中，作者使用的是分组卷积的特殊情况：depthwise 卷积（深度可分离卷积），组数和通道数相同。这样做的原因作者进行了简单解释：注意到深度可分离卷积与自注意力中的加权和运算类似，后者是在每个通道的基础上操作的，即只混合空间维度的信息。这可以有效降低FLOPS，但同时也损失了精度。作者遵循ResNeXt的准则将通道数由64调整到96，与Swin Transformer保持一致。

4. Inverted Bottleneck

作者注意到Transformer中MLP块的隐层维度比输入维度宽四倍，这与MobileNetV2的inverted bottleneck类似，如下图：

Inverted bottleneck顾名思义，和两头大中间小的bottleneck相反，是中间大两头小。

图B第三行应该是384->96？作者貌似画反了～

使用了这个模块后，在小模型上提高了0.1个点的准确率，如果换为ResNet-200 / Swin-B则能由81.9%提高到82.6%。

5. Large Kernel Sizes

ViT中最显著的特点是其全局自注意力。之前主流的卷积神经网络大都使用的是\(3\times 3\)的小窗口。VGG表明多个\(3\times 3\)的小卷积层可以替代大的卷积层从而降低参数量。虽然Swin Transformer在自注意力模块中引入了局部窗口，但窗口大小仍至少为\(7\times 7\)。因此，作者提出如下两个方面：

Moving up depthwise conv layer.

即上图C的方式，将depthwise层移动到两个\(1\times 1\)卷积层的最上方。这样处理的原因是在Transformer中多头自注意力模块是放在MLP的前面的。这样修改后FLOPs下降到4.1G，同时准确率掉到了79.9%。

**Increasing the kernel size. **

作者表示增大卷积核的好处是显著的。当将\(3\times 3\)的卷积核换成\(7\times 7\)的卷积核时，准确度从79.9%提升到80.6%，且大卷积核的优势到了\(7\times 7\)的时候就饱和了。

6. Micro Design

自此开始，作者着重研究微观上的差异（基于网络层）。

Replacing ReLU with GELU

即使用GELU（高斯误差线性单元）替换ReLU，它被用于最新的这些Transformer模型。作者将其与ResNet-50中的ReLU替换后发现准确率没有发生变化。

Fewer activation functions

作者注意到Transformer中并非像CNN那样每个卷积层/FC层后面都跟一个激活函数，例如MLP模块中只有一个激活函数。因此，作者进行了如下图的改造，ConvNeXt中仅在两个\(1\times 1\)卷积层中间保留一个GELU。浙江准确率提高了0.7%。

不是很懂这么做能涨点的原理～～

Fewer normalization layers

同样是模仿Transformer，作者只保留了depthwise conv层后面的Normalization层，将性能提高到81.4%。同时作者指出，在区块的开始添加一个额外的BN层并不能提高性能。

Substituting BN with LN

虽然BN在CNN中已经广泛使用（可以加快收敛、减少过拟合），但Transformer用的则是LN（这么做的原因网上可以查到很多解释）。因此作者将BN全部换为LN，发现性能小幅度提升到了81.5%。

Separate downsampling layers

在ResNet中是通过主分支上\(3\times 3\)的卷积层stride设置为2，short cut分支上\(1\times 1\)的卷积层stride设置成2进行下采样，而在Swin Transformer中是通过Patch Merging实现的（虽然采用这个实现也是为了像CNN中的池化层看齐），因此作者也单独设置了下采样层（LN+kernel size为(2,2) stride为2的卷积层）。这样可以将准确率进一步提升到82.0%。

经过这样的修改之后就得到了ConvNeXt网络模型。之后作者在各个数据集上进行了详尽的对比实验，这里就不继续分析了～感兴趣可以看一下原文。注意作者在开源的代码里还加上了Layer Scale，这是ICCV2021提出来的一个新科技。具体到代码中就是：

self.gamma = nn.Parameter(layer_scale_init_value * torch.ones((dim)), 
                                    requires_grad=True) if layer_scale_init_value > 0 else None
                                    
以及前向传播过程中：
if self.gamma is not None:
            x = self.gamma * x

其中dim就是通道维度的大小，gamma也是可以学习的。相当于在通道维度对数据进行了缩放。

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