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可分离卷积

先看一下nn.Conv2d()代码:

输入：（N，C_in，H_in，W_in）
输出：（N，C_out，H_out，W_out）
dilation:空洞卷积率，控制卷积膨胀间隔
groups:分组卷积来控制输入和输出的连接方式，in_channels和out_channels都要被groups整除。

groups设置不同时，可区分为分组卷积或深度可分离卷积：

  • 当groups=1时，表示普通卷积
  • 当groups<in_channels时，表示普通的分组卷积
  • 当groups=in_channels时，表示深度可分离卷积，每个通道都有一组自己的滤波器，大小为:out_channels/in_channels

可分离卷积

可分离卷积：空间可分离卷积和深度可分离卷积
假设feature的size为[channel,height,width]

  • 空间也就是指：[height,width]这两个维度组成的
  • 深度也就是指：channel这一维度

1、空间可分离卷积

空间可分离卷积：将n×n的卷积分成1×n和n×1两步计算

  • 普通的3×3卷积在一个5×5的feature map上的计算方式如下图，需9×9次乘法。
    在这里插入图片描述
  • 空间可分离卷积计算方式如下图，（1）先使用3×1的filter，所需计算量为15×3；（2）使用过1×3的filter，所需计算量为9×3；总共需要72次，小于普通卷积的81次乘法。
    虽然空间可分离卷积可以节省计算成本，但一般情况下很少用到。

2、深度可分离卷积

  • Conventional Convolution
    假设输入层为64×64像素的RGB图像。
    常规卷积：每个卷积核是同时操作输入图片的每个通道。
    卷积层的参数数量为4×3×3×3
    在这里插入图片描述

  • Depthwise Convolution
    Depthwise Convolution：一个卷积核负责一个通道，卷积核的数量与上一层的通道数相同（通道和卷积核一一对应）。
    卷积层参数数量为3×3×3
    在这里插入图片描述
    缺点：
    （1）无法扩展Feature map的通道数。
    （2）未有效利用不同通道在相同空间位置上的feature信息。

  • Pointwise Convolution
    Pointwise Convolution：与常规卷积运算相似，但卷积核尺寸为 1×1×M，M为上一层的通道数。
    将上一步的map在深度方向上进行加权组合，生成新的Feature map。有几个卷积核就有几个输出Feature map。
    卷积层参数数量为1×1×3×4
    在这里插入图片描述

综上，我们比对一下：常规卷积的参数个数为108；深度可分离卷积的参数个数为39，参数个数是常规卷积的约1/3。 下面我们用代码来验证一下！

代码测试

1、普通卷积、深度可分离卷积对比：

  • 整体对比：
    假设存在这样一个场景，上一层有一个64×64大小，3通道的特征图，需要经过卷积操作，输出4个通道的特征图，并且要求尺寸不改变。我们可以对比一下采用常规卷积和深度可分离卷积参数量各是多少。
import torch.nn as nn
from torchsummary import summary

class normal_conv(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super(normal_conv, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(in_channels,
                              out_channels,
                              kernel_size=3,
                              stride=1,
                              padding=1,
                              bias=True)

    def forward(self, x):
        return self.conv(x)


class sep_conv(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super(sep_conv, self).__init__()
        self.deepthwise_conv = nn.Conv2d(in_channels,
                                         in_channels,
                                         kernel_size=3,
                                         stride=1,
                                         padding=1,
                                         bias=True,
                                         groups=in_channels)
        self.pointwise_conv = nn.Conv2d(in_channels,
                                        out_channels,
                                        kernel_size=1,
                                        stride=1,
                                        padding=0,
                                        bias=True,
                                        groups=1)
    def forward(self,x):
        d = self.deepthwise_conv(x)
        p = self.pointwise_conv(d)
        return p

input_size = (3,64,64)

conv1 = normal_conv(3,4)
conv2 = sep_conv(3,4)

print("使用常规卷积所需要的参数：")
print(summary(conv1,input_size,batch_size=1))
print("使用深度可分离卷积所需要的参数：")
print(summary(conv2,input_size,batch_size=1))

输出结果：

使用常规卷积所需要的参数：
----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1             [1, 4, 64, 64]             112
================================================================
Total params: 112
Trainable params: 112
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.05
Forward/backward pass size (MB): 0.12
Params size (MB): 0.00
Estimated Total Size (MB): 0.17
----------------------------------------------------------------
None
使用深度可分离卷积所需要的参数：
----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1             [1, 3, 64, 64]              30
            Conv2d-2             [1, 4, 64, 64]              16
================================================================
Total params: 46
Trainable params: 46
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.05
Forward/backward pass size (MB): 0.22
Params size (MB): 0.00
Estimated Total Size (MB): 0.27
----------------------------------------------------------------
None
  • 各部分对比：
import torch.nn as nn
import torch
from torchsummary import summary 
class Conv_test(nn.Module):
    def __init__(self, in_ch, out_ch, kernel_size, padding, groups):
        super(Conv_test, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(
            in_channels=in_ch,
            out_channels=out_ch,
            kernel_size=kernel_size,
            stride=1,
            padding=padding,
            groups=groups,
            bias=False
        )

    def forward(self, input):
        out = self.conv(input)
        return out

#标准的卷积层，输入的是3x64x64,目标输出4个feature map
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
conv = Conv_test(3, 4, 3, 1, 1).to(device)
print(summary(conv,  input_size=(3, 64, 64)))
----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1            [-1, 4, 64, 64]             108
================================================================
Total params: 108
Trainable params: 108
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.05
Forward/backward pass size (MB): 0.12
Params size (MB): 0.00
Estimated Total Size (MB): 0.17
----------------------------------------------------------------
None

# 逐深度卷积层，输入同上
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
conv = Conv_test(3, 3, 3, padding=1, groups=3).to(device)
print(summary(conv,  input_size=(3, 64, 64)))
----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1            [-1, 3, 64, 64]              27
================================================================
Total params: 27
Trainable params: 27
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.05
Forward/backward pass size (MB): 0.09
Params size (MB): 0.00
Estimated Total Size (MB): 0.14
----------------------------------------------------------------
None

# 逐点卷积层，输入即逐深度卷积的输出大小，目标输出也是4个feature map
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
conv = Conv_test(3, 4, kernel_size=1, padding=0, groups=1).to(device)
print(summary(conv,  input_size=(3, 64, 64)))
----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1            [-1, 4, 64, 64]              12
================================================================
Total params: 12
Trainable params: 12
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.05
Forward/backward pass size (MB): 0.12
Params size (MB): 0.00
Estimated Total Size (MB): 0.17
----------------------------------------------------------------
None

2、分组卷积、深度可分离卷积对比：

  • 普通卷积：总参数量是 4x8x3x3=288。
  • 分组卷积：假设输入层为一个大小为64×64像素的彩色图片、in_channels=4，out_channels=8,经过2组卷积层，最终输出8个Feature
    Map，我们可以计算出卷积层的参数数量是 2x8x3x3=144。
  • 深度可分离卷积：逐深度卷积的卷积数量是 4x3x3=36, 逐点卷积卷积数量是 1x1x4x8=32，总参数量为68。
#普通卷积层
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
conv = Conv_test(4, 8, 3, padding=1, groups=1).to(device)
print(summary(conv,  input_size=(4, 64, 64)))
----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1            [-1, 8, 64, 64]             288
================================================================
Total params: 288
Trainable params: 288
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.06
Forward/backward pass size (MB): 0.25
Params size (MB): 0.00
Estimated Total Size (MB): 0.31
----------------------------------------------------------------
None

# 分组卷积层，输入的是4x64x64,目标输出8个feature map
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
conv = Conv_test(4, 8, 3, padding=1, groups=2).to(device)
print(summary(conv,  input_size=(4, 64, 64)))
----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1            [-1, 8, 64, 64]             144
================================================================
Total params: 144
Trainable params: 144
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.06
Forward/backward pass size (MB): 0.25
Params size (MB): 0.00
Estimated Total Size (MB): 0.31
----------------------------------------------------------------
None

# 逐深度卷积层，输入同上
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
conv = Conv_test(4, 4, 3, padding=1, groups=4).to(device)
print(summary(conv,  input_size=(4, 64, 64)))
----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1            [-1, 4, 64, 64]              36
================================================================
Total params: 36
Trainable params: 36
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.06
Forward/backward pass size (MB): 0.12
Params size (MB): 0.00
Estimated Total Size (MB): 0.19
----------------------------------------------------------------
None

# 逐点卷积层，输入即逐深度卷积的输出大小，目标输出也是8个feature map
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
conv = Conv_test(4, 8, kernel_size=1, padding=0, groups=1).to(device)
print(summary(conv,  input_size=(4, 64, 64)))
----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1            [-1, 8, 64, 64]              32
================================================================
Total params: 32
Trainable params: 32
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.06
Forward/backward pass size (MB): 0.25
Params size (MB): 0.00
Estimated Total Size (MB): 0.31
----------------------------------------------------------------
None