【深度学习-图像识别】基于GhostNet进行ImageNet上1000类别的图像识别

（一）论文地址：

https://arxiv.org/abs/1911.11907

检测效果：

运行demo.py

（需要代码和模型权重的请私戳我哦，联系方式见文章末）

（二）核心思想：

作者为了进一步压缩 CNN 网络结构，提出了一个 Ghost module，其核心是通过简单的线性变换，在内在特征图的基础上，生成更多可以完全揭示内在特征信息的幽灵👻特征图（ghost feature map），从而以较小的计算代价生成更多特征；

作者提出的 Ghost module 可以看作一个即插即用组件，用于升级现有的卷积神经网络，其核心是在输出通道数不变的情况下，减小卷积层的通道数并采用一个线性变换来升维，以此减小参数；

同时作者也提出了一个 Ghost Bottleneck 模块用来堆叠 Ghost module，并以此构建了一个新的网络 GhostNet，实现了 75.7% top-1 准确率，在比 MobileNetV3 准确率还高的基础上，进一步压缩了模型；

（三）特征冗余：

在训练好的深度神经网络的特征图中，丰富甚至冗余的信息常常保证了对输入数据的全面理解；

例如 ResNet-50，如果把特征图可视化，可以看到有许多相似甚至相同的特征图，就像彼此的幽灵一样；

作者认为这些相似的特征图并非冗余的，而是对检测和识别非常重要的，因此作者并没有去想办法去除这种冗余，而是采取了一种更为节省计算消耗的方式去生成这些幽灵特征图，由此搭建的网络就称之为——GhostNet；

（四）传统卷积的问题：

现在通用的一个减小卷积层参数的方法是 MobileNet 提出的深度分离卷积：

虽然深度分离卷积大大减小了参数量，但是随后用来升维或者降维并融合特征的 1×1 卷积仍然占用了客观的计算消耗和内存，生成的幽灵特征图也证明它有很大的改进空间；

针对这个问题，作者提出了可以减小卷积层使用的卷积核数目：

假设输入为 $X\in R^{c×h×w}$，其中 $c$ 为通道数，$h,w$ 分别为特征图的高度和宽度；

那么任意卷积层生成 $n$ 个 feature map 的操作就可以表示为：

$Y=X*f+b$

其中 $*$ 是卷积操作，$b$ 是偏置，$Y\in R^{h^{'}×w^{'}×n}$ 是输出的特征层，$f\in R^{c×k×k×n}$ 是卷积核，那么计算消耗 FLOPs 就是：

$n × h^{'}· w^{'}·× c × k × k$

然而对于通常情况下 $n,c=256,512$，计算消耗会非常大；

作者提出，可以通过控制卷积核中 $n$ 的大小来减小计算量，并通过一个简单的线性变换起到升维的作用；

（五）Ghost Module for More Features

这里作者简介了 Ghost Module，可以将其作为替换卷积层的模块；

此时设置一个中间量 $Y^{'}\in R^{h^{'}×w^{'}×m}$，其中 $m<n$；

这时：$Y^{'}=X*f^{'}$

其中偏执 $b$ 被去掉，其他的超参数（如步长、卷积核大小）等保持不变；

此时再将 $Y^{'}$中的 $m$ 个特征图分离，对每个特征图分别进行一次线性变换，使每个特征图生成 $s$ 个幽灵特征图，用公式表示为：

$y_{i,j}=\Phi_{i,j}(y^{'}_i),\forall i=1,…,m, j=1,…,s$

其中 $y^{'}_i$ 是 $Y^{'}$ 的第 $i$ 个特征图，$\Phi_{i,j}$ 是生成第 $j$ 个幽灵特征图 $y_{i,j}$ 的线性操作；

这样我们就得到了通道数为 $n=m*s$ 的特征层 $Y$；

（六）Ghost bottleneck：

作者提出了两种 Ghost Module 的堆叠结构，主要是用来替换 ResNet 中的残差结构；

网络的整体结构如图：

SE 表示是否使用 SE 模块；

（七）实验结果：

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