[图像分类]论文笔记VovNet（专注GPU计算、能耗高效的网络结构）
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论文链接：An Energy and GPU-Computation Efficient Backbone Network for Real-Time Object Detection
1. 简介
- DenseNet在目标检测任务上表现很好。因为它通过聚合不同receptive field特征层的方式，保留了中间特征层的信息。它通过feature reuse 使得模型的大小和flops大大降低，但是，实验证明，DenseNet backbone更加耗时也增加了能耗：dense connection架构使得输入channel线性递增，导致了更多的内存访问消耗，进而导致更多的计算消耗和能耗。
2. 高效网络设计要素 Factors of Efficient Network Design
根据shuffleNet v2，减小flops和model size并不能保证GPU运算时间的减少。比如，shuffleNet v2和mobileNet v2有类似的计算量（FLOPS），但是前者比后者快， squeezeNet虽然比VGG少了50倍的参数量，但是它比VGG能耗更多。那么哪些是影响GPU运算效率和能耗的因素呢？
2.1. Memory Access Cost （MAC）
- 对于CNN，能耗在内存访问而不是计算上。
- 影响MAC的主要是是内存占用（intermediate activation memory footprint），它主要受卷积核和feature map大小的影响。
2.2. GPU-Computation Efficiency
- 通过减少FLOP是来加速的前提是，每个flop point的计算效率是一致的。
- GPU特性：
- 擅长parallel computation，tensor越大，GPU使用效率越高。
- 把大的卷积操作拆分成碎片的小操作将不利于GPU计算。
- 因此，设计layer数量少的网络是更好的选择。mobileNet使用1x1卷积来减少计算量，不过这不利于GPU计算。
- 为了衡量GPU使用效率，我们使用Flops/s指标。
3. Proposed Method
3.1. Rethinking Dense Connection
- DenseNet通过把当浅层和深层的feature map concat来实现更好的特征提取。在参数和计算量有限的情况下，densenet将比resnet等网络做更多的trade-off 。在shuffleNet V2文章中，我们有
其中，
- 上述公式展示了MAC的下界限。可以看出：在计算量和参数量固定的前提下，conv的input和output的size一致，可以最小化MAC。
- 使用Dense connect模块，输出的channel size不变，但是输入的channel size一直在线性增加，因此DenseNet有很高的MAC。
- bottleneck connection同样不利于GPU计算。在模型很大的时候，计算量随着深度指数二阶增长。bottleneck 把一个3x3的卷积分成了两个计算，相当于增加了一次序列运算。
- 上图分析了DenseNet中，浅层feature map对深层feature map的贡献。可以看出，前者对后者的贡献很少。所以我们提出假设1：中间层聚合能力和最后层的聚合能力成反比。也就是说，中间层特征层对的聚合能力越好，那么最后的feature map的聚合能力就越弱。
- 因此，让中间的feature maps的聚合能力弱化或者减少其相关性，会更利于最后feature map表达能力的提升。因为可以进一步提出假设，相比于它们造成的损耗而言，中间特征层的dense connection并不重要。
3.2. One-Shot Aggregation
- 因此，本文提出OSA（one-shot-aggregation）模块。在OSA module中，每一层产生两种连接，一种是通过conv和下一层连接，产生receptive field 更大的feature map，另一种是和最后的输出层相连，以聚合足够好的特征。
- 计算发现，通过使用OSA module，5层43channels的DenseNet-40的MAC可以被减少30%（3.7M -> 2.5M）
- 进步一地，我们基于OSA module构建VovNet网络结构。如上图所示，我们分别构建了VoVNet-27-slim，VoVNet-39， VoVNet-57。其中downsampling 通过3x3 stride=2的conv实现。
4. Experiments
实验1： VoVNet vs. DenseNet. 对比不同backbone下的目标检测模型性能(PASCALVOC)
- 对比指标：
- Flops：模型需要的计算量
- FPS：模型推断速度img/s
- 参数数量
- 内存占用
- 能耗
- GPU使用效率（GFlops/s）
- mAP（目标检测性能评价指标）
- 现象1：相比于DenseNet-67，PeleeNet减少了Flops，但是推断速度没有提升，与之相反，VoVNet-27-slim稍微增加了Flops，而推断速度提升了一倍。同时，VoVNet-27-slim的精度比其他模型都高。
- 现象2：VoVNet-27-slim的内存占用、能耗、GPU使用效率都是最高的。
- 结论1：相比其他模型，VoVNet做到了准确率和效率的均衡，提升了目标检测的整体性能。
另外，PeleeNet是通过把dense block拆分为更小的dense block实现flops减少的。由此，可以推断把dense block分解为小片段的计算并不利于GPU运算。
实验2：Ablation study on 1×1 conv bottleneck.
结论2：可以看出，1x1 bottleneck增加了GPU Inference时间，降低了mAP，尽管它减少了参数数量和计算量。
因为1x1 bottleneck增加网路层数，要求更多的激活层，因为增加了内存占用。
实验3： GPU-Computation Efficiency.
- (a) VoVNet兼顾准确率和Inference 速度
- (b) VoVNet兼顾准确率和GPU使用率
- (c) VoVNet兼顾准确率和能耗
- (d) VoVNet监督能耗和GPU使用率
# 这里的能耗计算不知道怎么进行的
实验室4：基于RefineDet架构比较VoVNet、ResNet和DenseNet
结论4：从COCO数据集测试结果看，相比于ResNet，VoVnet在Inference速度，内存占用，能耗，GPU使用率和准确率上都占据优势。尽管很多时候，VoVNet需要更多的计算量以及参数量。
- 对比DenseNet161(k=48)和DenseNet201(k=32)可以发现，深且”瘦“的网络，GPU使用率更低。【有两个变量，暂时不知道哪个是主要的】
- 另外，我们发现，相比于ResNet，VoVNet在小目标上的表现更好。
实验5：Mask R-CNN from scratch
我们通过替换Mask R-CNN的backbone，也发现VoVNet在Inference速度和准确率上优于ResNet.
