이 글에서는 Google Inc.에서 발표한 MobileNet V3 논문을 간략하게 정리한다.

EfficientNet: Rethinking Model Scaling for Convolutional Neural Networks

논문 링크: EfficientNet: Rethinking Model Scaling for Convolutional Neural Networks

Github: https://github.com/tensorflow/tpu/tree/master/models/official/efficientnet

• 2019년 5월(Arxiv), ICML 2019
• Mingxing Tan, Quoc V. Le

최근에 모델의 크기를 키움으로써 성능을 높이는 방향의 연구가 많이 이루어졌다. 모델을 크게 만드는 것은 3가지 방법이 있는데,

1. network의 depth를 깊게 만드는 것
2. channel width(filter 개수)를 늘리는 것(width가 넓을수록 미세한 정보가 많이 담아짐)
3. input image의 해상도를 올리는 것

EfficientNet은 이 3가지의 최적의 조합을 AutoML을 통해 찾은 논문이다. 조합을 효율적으로 만들 수 있도록 하는 compound scaling 방법을 제안하며 이를 통해 더 작은 크기의 모델로도 SOTA를 달성한 논문이다.

Abstract

• 한정된 자원으로 최대의 효율을 내기 위한 방법으로 model scaling(depth, width, resolution)을 시스템적으로 분석하여 더 나은 성능을 얻고자 한다.
• 새로운 scaling 방법으로 compount coefficient를 제안한다.
• 이를 바탕으로 찾은 효율적인, 기본이 되는 모델 EfficientNet을 소개한다.
• ImageNet에서 기존 ConvNet보다 8.4배 작으면서 6.1배 빠르고 더 높은 정확도를 갖는다.

1. Introduction

• ConvNet의 크기를 키우는 것은 널리 쓰이는 방법이다.
• 그러나 제대로 된 이해를 바탕으로 이루어지지는 않았던 것 같다.
• 그래서 scaling하는 방법을 다시 한 번 생각해보고 연구하는 논문을 제안한다.
  • 그 방법이 compound scaling method이다.
• 이 방법을 MobileNets와 ResNet에서 검증해보고자 한다.
  • 그림 1이 결과를 보여주고 있다.

2. Related Work

ConvNet Accuracy

AlexNet 이후 ImageNet competition에서 더 깊어지고 커지면서 정확도가 높아지는 모델들이 여럿 발표되었다. 최근 발표되는 모델들은 ImageNet뿐만 아니라 다른 데이터셋에서도 잘 작동한다. 그러나 정확도는 높아졌지만, 사용하는 자원 역시 크게 늘어났다.

ConvNet Efficiency

깊은 ConvNets는 좀좀 over-parameterized된다. 효율을 높이기 위해 모델 압축하는 여러 기법이 제안되었다: SqueezeNets, MobileNets, ShuffleNets 등.

Model Scaling

• ResNet(ResNet-18, ResNet-50, ResNet-200)은 깊이를 달리 하였다.
• MobileNets는 network width를 달리 하였다.
• 또한 이미지 해상도가 높아지면 (찾아낼 정보가 많아서) 정확도를 높아진다. (물론 계산량도 많이 늘어난다.)

많은 연구가 진행되었으나 어떻게 효율적인 조합을 찾는지는 아직까지 정립되지 않았다.

3. Compound Model Scaling

3.1. Problem Formulation

뭔가 괜히 복잡하게 써 놨는데 그냥 ConvNet을 수식화해 정리해놓은 부분이다. $H, W, C$를 입력 tensor의 크기, $F$를 Conv layer라 하면 ConvNet은

로 표현 가능하다.

모델이 사용하는 자원이 제한된 상태에서 모델의 정확도를 최대화하는 문제를 풀고자 하는 것이므로, 이 문제는 다음과 같이 정리할 수 있다.

3.2. Scaling Dimensions

• Depth: 네트워크의 깊이가 증가할수록 모델의 capacity가 커지고 더 복잡한 feature를 잡아낼 수 있지만, vanishing gradient의 문제로 학습시키기가 더 어려워진다. 이를 해결하기 위해 Batch Norm, Residual Connection 등의 여러 기법들이 등장하였다.
• Width: 각 레이어의 width를 키우면 정확도가 높아지지만 계산량이 제곱에 비례하여 증가한다.
• Resolution: 입력 이미지의 해상도를 키우면 더 세부적인 feature를 학습할 수 있어 정확도가 높아지지만 마찬가지로 계산량이 제곱에 비례해 증가한다.

공통적으로, 어느 정도 이상 증가하면 모델의 크기가 커짐에 따라 얻는 정확도 증가량이 매우 적어진다.

3.3. Compound Scaling

직관적으로, 더 높은 해상도의 이미지에 대해서는,

• 네트워크를 깊게 만들어서 더 넓은 영역에 걸쳐 있는 feature(by larger receptive fields)를 더 잘 잡아낼 수 있도록 하는 것이 유리하다.
• 또, 더 큰 이미지일수록 세부적인 내용도 많이 담고 있어서, 이를 잘 잡아내기 위해서는 layer의 width를 증가시킬 필요가 있다.

즉, 이 depth, width, resolution이라는 세 가지 변수는 밀접하게 연관되어 있으며, 이를 같이 움직이는 것이 도움이 될 것이라고 생각할 수 있다.

계산량은 깊이에 비례하고, 나머지 두 변수에 대해서 그 제곱에 비례하므로 다음과 같은 비율로 변수들이 움직이게 정할 수 있다.

이 논문에서는 $\alpha \cdot \beta^2 \cdot \gamma^2 \approx 2$로 맞춰서 전체 계산량은 $2^\phi$에 비례하게 잡았다.

4. EfficientNet Architecture

MnasNet에 기반한 baseline network를 사용한다. 구체적인 모양은 다음과 같다.

이 baseline network에 기반해서 시작한다.

• STEP 1: $\phi=1$로 고정하고, $\alpha, \beta, \gamma$에 대해서 작게 grid search를 수행한다. 찾은 값은 $\alpha=1.2, \beta=1.1, \gamma=1.15$로 $\alpha \cdot \beta^2 \cdot \gamma^2 \approx 2$이다.
• STEP 2: 이제 $\alpha, \beta, \gamma$를 고정하고 $\phi$를 변화시키면서 전체적인 크기를 키운다.

$\alpha, \beta, \gamma$를 직접 갖고 큰 모델에 실험해서 더 좋은 결과를 얻을 수도 있지만 큰 모델에 대해서는 그 실험에 들어가는 자원이 너무 많다. 그래서 작은 baseline network에 대해서 먼저 좋은 $\alpha, \beta, \gamma$를 찾고(STEP 1) 그 다음에 전체적인 크기를 키운다(STEP 2).

5. Experiments

5.1. Scaling Up MobileNets and ResNets

결과부터 보자.

Efficient하다.

depth, width, resolution을 어떻게 늘리는지에 대한 비교도 진행해 보았다. 섹션 3의 직관적인 설명과 같은 결과를 보이고 있다.

5.2. ImageNet Results for EfficientNet

추론 latency에 대한 결과를 기록해 놓았다.

8.4배 적은 연산량으로 더 높은 정확도를 갖는다는 것은 꽤 고무적이다. 결과에 따라서 18배 적거나, 아니면 5.7배, 6.1배 더 빠른 추론 시간을 보여주기도 한다. (표 1, 5 등)

5.3. Transfer Learning Results for EfficientNet

전이학습 dataset에 대한 결과를 기록해 놓았다.

여기도 비슷하게 몇 배 더 작고 적은 연산량으로 더 좋은 정확도를 갖는다는 내용이다.

데이터셋에 대한 정보이다.

baseline 모델에 대해서 어떻게 scaling을 할지를 테스트해 보았다. 표 3과 같은 결과를 보여준다.

6. Discussion

어떻게 scaling을 해야 하는지 아래 그림이 단적으로 보여준다. depth, width, resolution은 서로 긴밀히 연관되어 있으며 이들을 같이 키우는 것이 자원을 더 효율적으로 쓰는 방법이다.

어쨰서 compound scaling method라 다른 방법에 비해 더 좋은지를 나타내는 그림이 아래에 있다. 이미지의 어디에 집중하고 있는지를 보여준다. (근데 attention을 딱히 적용하진 않았다.)

7. Conclusion

한정된 자원을 갖고 있는 상황에서 Depth, Width, Resolution을 어떻게 적절히 조절하여 모델의 크기와 연산량을 줄이면서도 성능은 높일 수 있는지에 대한 연구를 훌륭하게 수행하였다.

• MobileNet V1
• MobileNet V2
• MobileNet V3

이 글에서는 Google Inc.에서 발표한 MobileNet V3 논문을 간략하게 정리한다.

Searching for MobileNetV3

논문 링크: Searching for MobileNetV3

Github: https://github.com/tensorflow/models/blob/master/research/slim/nets/mobilenet/README.md

• 2019년 5월(Arxiv)
• Google Inc.
• Andrew Howard, Mark Sandler, Grace Chu et al.

모바일 기기에서 동작하는 것을 목표로 한, 성능을 별로 희생하지 않으면서도 모델을 크게 경량화하였다. MobileNet V1 및 MobileNet V2의 후속 논문이다.

Abstract

모바일 환경에 맞춘 새로운 세대의 MobileNets(V3)을 제안한다.

• NetAdapt 알고리즘 및
• 그 도움을 받아 Hardware-aware NAS(Network Architecture Search)와
• novel architecture advances에 기반해 있다.

이 논문은 어떻게 자동화된 탐색 알고리즘(automated search algorithm)과 네트워크 디자인을 어떻게 사용하는지 보여준다. 2가지 크기의 모델을 제안하는데,

• MobileNetV3-Large는 MobileNetV2에 비해 latency는 20% 줄이면서도 정확도는 3.2% 더 높다.
  • MobileNetV3-Large LR-ASPP는 Cityspaces segmentation에서 MobileNetV2 R-ASPP보다 비슷한 정확도를 가지면서 34% 더 빠르다.
• MobileNetV3-Small는 MobileNetV2에 비해 정확도는 비슷하면서 25% 더 빠르다.

각각 자원을 더 많이 쓰냐 적게 쓰냐의 차이가 있다.

또 Semantic Segmentation task에서는 Lite Reduced Atrous Spatial Pyramid pooling(LR-ASPP)라는 새로운 효율적인 decoder를 제안한다.

1. Introduction

모바일 app이라면 어디나 존재하는 효율적인 신경망은 완전히 새로운 on-device 경험을 가능하게 한다. 이러한 상황에서 모바일과 같이 작은 device에 들어가는 네트워크는 서버에 전송되는 데이터를 줄여 더 빠른 속도, 더 적은 전력소모 등의 효과를 가져올 수 있다. 이렇게 사용되는 네트워크는 크기가 작으면서도 성능은 충분히 챙길 수 있는 효율성을 가져야만 하며 이 논문에서는 그러한 모델을 개발하는 것을 다룬다.

이를 위해

1. 상호보완적 탐색 기술
2. 모바일 setting에서 비선형성의 새롭고 효율적인 버전
3. 효율적인 네트워크 디자인
4. 효율적인 segmentation decoder

를 소개한다.

2. Related Work

정확도와 효율성(latency(반응 속도) or 실행 시간 등) 간 trade-off에 관한 연구가 최근 많이 진행되었다.

• SqueezeNet은 1x1 conv를 활용하여 parameter 수를 줄였다.
• MobileNet V1 및 MobileNet V2은 Depthwise Separable Convolution으로 연산 수(MAdds)를 크게 줄였다.
• ShuffleNet은 group conv와 shuffle 연산으로 MAdds를 더 줄였다.
• CondenseNet은 학습 단계의 group conv를 학습하고 추후를 위해 유용한 dense connection만을 남기는 방식을 채택했다.
• ShiftNet은 point-wise conv에 interleave한 shift 연산을 제안하여 값비싼 spatial conv 연산을 대체했다.

그리고 architecture 디자인 과정을 자동화하기 위한 연구도 많이 이루어졌다. RL 등이 대표적이지만 전체 상태 공간을 탐색하는 것은 매우 어렵다. 탐색 연산량을 줄이기 위해 Proxylessnas, DARTS, Fbnet 등의 논문에 발표되었다.

양자화(Quantization)은 Reduced Precision Arithmetic을 통해 네트워크의 효율성을 높이고자 하였다.

3. Efficient Mobile Building Blocks

• MobileNetV1에서는 Depthwise Separable Convolution을 제안하여 모델 크기를 크게 줄였다.
• MobileNetV2에서는 linear bottleneck \& inverted residual 구조를 제안하여 더 효율적인 구조를 제안했다.
• MnasNet은 bottleneck 구조에 squeeze and excitation 모듈에 기반한 light weight attention module을 제안했다.

MobileNet V3에서는 이러한 layer들의 조합을 building block으로 사용하여 효율적인 구조를 제안한다.

4. Network Search

• 각 network block을 최적화함으로써 전체 network struce를 찾기 위한 platform-aware NAS를 사용하였다.
• filter의 수를 찾기 위해 NetAdapt 알고리즘을 사용하였다.
• 이 테크닉들은 상호보완적이며 효율적인 모델을 찾기 위해 결합하여 사용할 수 있다.

4.1. Platform-Aware NAS for Blockwise Search

MnasNet과 같은 접근법을 사용하지만 조금 더 작은 weight factor $w=-0.15$(원래는 $w=-0.07)를 사용하여 latency가 다를 때 정확도의 큰 변화를 막고자 했다.

4.2. NetAdapt for Layer-wise Search

platform-aware NAS와 상호보완적인 접근법이다. 간략히 정리하면 다음과 같이 동작한다:

1. platform-aware NAS로 찾은 seed network 구조로 시작한다.
2. 각 step마다:
   • 새로운 proposals를 생성한다. 각 proposal은 architecture의 변화를 포함하며 이전 step에 비해 적어도 $\delta$만큼의 latency reduction을 만들어 낸다.
   • 각 proposal에 대해 이전 step의 사전학습된 model을 사용하여 새로 제안된 proposal을 덧붙이고, 자르고, 빈 weight 부분을 임의로 초기화를 적절혀 시켜서 새 구조를 얻는다. 그리고 $T$ step 동안 fine-tune 과정을 거쳐 coarse한 정확도 추정치를 얻는다.
   • 어떤 (특정) metric을 사용하여 가장 좋은 proposal을 선택한다.

원래 알고리즘은 metric이 정확도 변화를 최소화하는 것이다. 이를 조금 바꿔서 latency 변화량 대비 정확도 변화량의 비율을 사용했다.

[\frac{\Delta \text{Acc}}{\vert \Delta \text{latency} \vert}]

이 과정은 latency가 목표에 도달할 때까지 반복하며 그 다음엔 scratch로부터 새로운 architecture를 재학습한다.
MobileNet V2를 위해 NetAdapt에서 사용된 것과 동일한 proposal 생성기를 사용하였다. 구체적으로 다음 2가지 종류의 proposal이 있다:

1. 어떤 expansion layer든지 그 크기를 줄인다.
2. (residual connection을 유지하기 위해) 같은 bottleneck 크기를 갖는 모들 block 안의 bottleneck을 줄인다.

이 논문에서는 $T=10000, \delta=0.01 \vert L \vert$이며 $L$은 seed model의 latency이다.

5. Network Improvements

network search에 더해 몇 가지 component를 소개한다.

1. 비싼 계산량의 layer를 재설계
2. h-swish: 새로운 비선형성. 계산이 더 빠르고 quantization-friendly함

5.1. Redesigning Expensive Layers

특히 (연산량이) 비싼 몇 개의 layer가 대부분을 차지하는 경향이 있다. 그래서 일부 구조를 변경하여 정확도를 유지하면서도 계산량을 줄이려 했다.

• 마지막 몇 개의 layer가 최종 feature를 효율적으로 생성하기 위해 어떻게 상호작용해야 하는지에 대한 재작업: 1x1 conv로 고차원으로 보내는 작업은 rich feature를 얻는 데 필수적이지만 latency를 증가시킨다.
  • 그래서 7x7 spatial resolution 대신 1x1 spatial resolution을 사용하였다.
• feature 생성 layer의 연산량을 좀 줄이고 난 다음으로 할 일은 이전 bottleneck projection layer가 더 이상 계산량을 증가시키지 않는다는 것에서 착안하여 projection과 filtering을 이전 bottleneck layer에서 없애는 것이다.
• 이전 모델은 expansive layer에서 32개의 3x3 layer를 썼는데 이 filter는 종종 좌우 반전의 image를 갖는(처리하는) 경우가 있다. 그래서 중복을 줄일 수 있게 filter 수를 16개로 줄였다.

5.2. Nonlinearities

swish라 불리는 비선형성을 ReLU에서 사용되는 부분이다. swish는 다음과 같다.

[\text{swish} x = x \cdot \sigma(x)]

이 비선형성은 정확도를 높이는 데 도움이 되지만 sigmoid 연산은 비싼 연산이다. 그래서 2가지 방식으로 해결하고자 한다.

• sigmoid를 다른 함수로 바꾼다.

[\text{h-swish}[x] = x \frac{\text{ReLU6}(x+3)}{6}]

이러면 비선형성 및 gradient 변화를 잘 유지하면서도 계산량이 많이 줄어든다.

아래 그림을 보면 쉽게 이해가 될 것이다.

• 비선형성을 적용하는 비용은 네트워크가 깊어질수록 줄어든다(activation 수 자체가 줄어드므로). 그런데 swish의 이점은 거의 깊은 layer에서만 얻을 수 있다. 그래서 h-swish는 모델의 후반부 절반에서만 사용하도록 했다.

5.3. Large squeeze-and-excite

이전 연구(SENet)에서 squeeze-and-excite bottleneck은 conv bottleneck의 것에 비례했으나 이 논문에서는 expansion layer의 채널 수의 1/4로 고정하였다. 이는 약간의 parameter 수 증가만으로 정확도 향상을 이끌어내었다.

5.4. MobileNetV3 Definitions

MobileNet V3는 Large와 Small 모델이 있다. 각 크기는 다음과 같다.

6. Experiments

6.1. Classification

ImageNet으로 실험함.

6.1.1 Training setup

4x4 TPU, RMSProp(0.9 momentum), batch size 4096(클립당 128 image), lr 0.1, 3 epoch당 decay 0.01, dropout 0.8, l2 weight decay 1e-5, 지수이동평균 0.9999로 학습하였다.

6.1.2 Measurement setup

Google Inc.에서 발표한 논문답게 구글 픽셀 폰 위에서 표준 TFLite Benchmark tool로 실험했다.

6.2. Results

그림 1에서 보듯시 MnasNet, ProxylessNas, MobileNetV2과 갈은 기존의 SOTA를 모두 능가한다.

floating point 성능은 표 3에, 양자화 결과는 표 4에 있다.

6.2.1 Ablation study

Impact of non-linearities

표 5에서는 h-swish의 효과를 보여준다. 6MS 정도(10%)의 실행 시간 감소 효과를 가진다.

nonlinearity choices와 network width에 기반한 효율적인 frontier를 보여준다. h-swish는 네트워크 중간에 넣는 것이 낫고 ReLU를 확실히 능가한다.

Impact of other components

본문에서 설명한 다른 부분들의 효과를 간략히 보여주고 있다.

6.3. Detection

COCO 데이터셋에서, SSDLite의 feature extractor를 MobileNetV3로 대체하고 다른 backbone과 비교하였다.

이 논문의 다른 모든 부분에서 그랬듯, 모델의 계산량, latency, 모델 크기 등을 비교하면 된다.

6.4. Semantic Segmentation

구조는 아래와 같다.

결과도 다른 결과랑 비슷하다.

7. Conclusions and future work

• MobileNetV3-Large, Small 모델을 제안하여 image classification, detection, segmentation에서 SOTA를 달성하였다.
• 특히 모델의 크기가 작고 계산량이 적으며 latency가 낮다.

• MobileNet V1
• MobileNet V2
• MobileNet V3

이 글에서는 Google Inc.에서 발표한 MobileNet V2 논문을 간략하게 정리한다.

MobileNetsV2: Inverted Residuals and Linear Bottlenecks

논문 링크: MobileNets: Inverted Residuals and Linear Bottlenecks

Github: https://github.com/tensorflow/models/blob/master/research/slim/nets/mobilenet/README.md

• 2018년 1월(Arxiv)
• Google Inc.
• Mark Sandler, Andrew Howard, Menglong Zhu, Andrey Zhmoginov, Liang-Chieh Chen

V1: 모바일 기기에서 동작하는 것을 목표로 한, 성능을 별로 희생하지 않으면서도 모델을 크게 경량화하였다. V2: Inverted Residual, Linear Bottleneck을 도입하여 V1을 업그레이드하였다.

Abstract

• shortcut connection이 얇은 bottleneck layer 사이에 존재하는 inverted residual 구조에 기반한 MobileNet V2를 제안한다.
• 모델의 representational power를 보존하기 위해 narrow layer 안에서는 비선형성을 제거하는 것이 낫다는 것을 발견하였다.
• 본 논문에서 제안하는 접근법은 expressiveness of the transformation으로부터 입출력 도메인을 분리하는 것을 가능하게 한다.
• ImageNet 분류, COCO object detection, VOC image segmentation에서 성능을 측정하여 작은 모델로도 충분히 높은 성능을 기록함을 보인다.

1. Introduction

최근의 모델들은 크기를 상당한 수준으로 키우면서 그 성능도 올라갔지만 메모리나 계산량 역시도 엄청나게 증가하였다. 특히, 모바일 등 작은 기기나 embedded 환경에서는 이러한 모델을 쓰기가 어렵고, 크기가 작은 모델을 개발할 필요가 있다.

이 논문에서는 inverted residual with lienar bottleneck이라는 구조를 제안한다. 이 모듈은 저차원의 압축된 표상(표현)을 받아 먼저 고차원으로 확장한 다음 다시 lightweight depthwise convolution으로 필터링을 거친다. Feature는 이러한 일련의 과정(linear convolution)을 통해 저차원의 표상으로 투영된다.
이는 표준 연산을 통해서 효율적으로 구현이 가능하며 어떤 모델에도 사용할 수 있다. 또 중간 결과로 큰 tensor를 잡는 일도 없어 메모리 사용량을 크게 줄일 수 있다. 이는 작은 기기를 포함하여 많은 곳에서 효율적으로 쓸 수 있음을 뜻한다.

2. Related Work

정확도와 성능(latency) 간의 최적의 균형을 찾는 것은 지난 몇 년간 꽤 핫한 주제였다. 모델의 크기를 키워 성능을 높이고, 비슷한 효과를 가지면서 parameter 수를 줄이는 등 여러 연구가 있어 왔다. 최근에는 유전 알고리즘과 강화학습을 비롯한 여러 최적화 기법도 사용되었으나 이들은 너무 복잡하다는 단점이 있다. 이 논문에서는 더 낫고 더 간결한 방법을 제시하고자 한다.

3. Preliminaries, discussion and intuition

3.1. Depthwise Separable Convolution

MobileNet V1을 참조하면 된다.

3.2. Linear Bottlenecks

$n$개의 layer $L_i$로 구성된 신경망을 고려하자.

• 그러면 실제 이미지 입력에 대해서 각각의 픽셀 및 채널에 대해 $ h_i \times w_i \times d_i $ 크기의 activation이 존재함을 생각할 수 있다.
• 이걸 $d_i$ 차원을 갖는 “pixel”이 $h_i \times w_i$ 개 있다고 생각할 수 있다.
• 대략적으로, 실제 입력 이미지에 대해서, 이러한 layer activation은 “manifold of interest“를 형성한다고 생각할 수 있다.
• 지금까지의 연구들에서는 신경망에서 manifold of interest는 저차원의 subspace로 embedded될 수 있다고 가정해 왔다.
• 즉, 우리가 deep conv layer의 모든 독립적인 $d$-채널 pixel을 볼 때, 이 값들에 인코딩되어 있는 정보는 어떤 manifold 상에 위치하며, 이것은 저차원의 subspace로 보낼 수 있다는 것이다.

이러한 직관을 갖고, MobileNet V1에서는 저차원의 subspace로 보냈다가 다시 복구시키는 bottleneck layer를 적용하여, activation space의 차원을 효과적으로 줄일 수 있었다. 그러나, manifold의 “정보”는 비선형 변환 함수, ReLU와 같은 것이 있기 때문에 일부 소실될 수 있다.

ReLU가 채널을 collapse시킨다면, 해당 채널에서 정보가 손실되는 것은 피할 수 없다. 그러나, 채널이 충분히 많다면, 해당 정보가 다른 채널에서는 살아 있을 수 있다.

요약하면,

1. manifold of interest가 ReLU 변환 이후에도 non-zero volume으로 남아 있다면, 그것은 선형 변환에 부합한다.
2. ReLU가 입력 manifold에 대해 정보를 완전히 보전하는 경우는, 입력 manifold가 입력 space의 저차원 subspace에 있을 때에만 그렇다.

그래서 결론은, ReLU와 같은 비선형 activation이 없는 layer를 하나 더 추가한다. 이것이 linear bottleneck의 역할을 한다.

3.3. Inverted residuals

일반적인 residual connection과 반대이다. 즉, 보통은 wide - narrow - wide의 layer가 있고, wide layer끼리 연결을 추가한 방식인데, 이 논문에서는

• narrow - wide - narrow layer가 기본으로 있고
• narrow layer끼리 연결이 되어 있다.

이렇게 하는 이유는 narrow에 해당하는 저차원의 layer에는 필요한 정보만 압축된 채로 저장되어 있다고 가정하기 때문이다. 즉 필요한 정보는 narrow에 이미 있기 때문에, skip connection으로 사용해도 정보를 더 깊은 layer까지 전달할 수 있을 것이라고 생각하는 것이다.

3.4. Information flow interpretation

이 구조가 갖는 흥미로운 특성은 building block(bottleneck layer)의 input/output domains 사이의 자연스러운 분리가 이루어진다는 것이다.

특히, inner layer depth가 0인 경우 다음의 convolution은 shortcut connection 덕분에 항등함수가 된다. expansion ratio가 1보다 작으면 보통의 residual conv block이 되고, 물론, 이 논문에서는 1보다 크다.
이로써 모델의 크기(capacity)와 모델의 표현력을 분리하여 생각할 수 있고, 이는 네트워크의 특성을 이해하는 데 도움을 줄 것이다.

4. Model Architecture

기본 구조는 bottleneck depth-separable convolution with residuals이다. 자세한 구조는 다음 표와 같다.

MobileNet V2는 32개의 filter를 갖는 fully conv layer, 19개의 residual bottleneck layer를 가지며, 활성함수로는 ReLU6을 사용한다.

inverted residual의 확장 비율(expansion ratio)는 모든 실험에서 6으로 고정하였다. 만약 입력 채널 수가 64였다면, 중간의 wide layer에서는 64$\times$6 = 384개의 채널을 갖는다.

Trade-off hyper parameters

기본 모델은

• multiplier 1
• 224$\times$224의 입력 크기
• 300M개의 multiply-adds(계산량)
• 3.4M개의 parameter

를 갖는다.

그리고 입력 크기나 multiplier를 달리하면서 모델 크기와 정확도 간 trade-off를 조절할 수 있다.

5. Implementation Notes

5.1. Memory efficient inference

Bottleneck Residual Block

메모리 사용량을 분석한 부분인데, 간략하게 결론 내리면 다음과 같다.

• 표 1에 있는 expantion ratio $t$는 2~5 정도로 잡는 것이 메모리 요구량을 크게 줄일 수 있는 방법이라고 한다.

6. Experiments

6.1. ImageNet Classification

RMSPropOptimizer, Tensorflow, weight decay 0.00004, learning rate 0.045, 16 GPU, batch size 96으로 실험하였다.

6.2. Object Detection

MobileNet와 잘 어울리는, SSDLite라는 것을 소개한다. 이는 기존 SSD의 기본 conv를 separable conv로 바꾼 것이다. 이는 기존보다 계산적인 효율을 높여 준다. 기존 SSD와 비교하여 parameter 수와 계산량을 획기적으로 줄여 준다.

계산량, 성능, 모델 크기 등에서 MNet V2 + SSDLite가 다른 모델을 압도한다.

6.3. Semantic Segmentation

여기서는 MobileNet V1, V2를 feature extractor로서 사용하여 DeepLabv3와 같이 사용하여 실험하였다. PASCAL VOC 2012에서, ResNet base 모델에 비해 크게 작고 계산량이 적으며 성능도 괜찮다.

6.4. Ablation study

Inverted residual connection(fig 6a)와 Linear bottleneck(fig 6b)이 있고 없고의 차이를 아래 그림에서 딱 보여준다.

근데 사실 lienar bottleneck 모델은 non-linearaties를 갖는 모델과 비교하여 딱히 강력하다고 할 수 없다. 이는 activation은 bias와 scale 변화에 적절히 동작할 수 있기 때문이다.

그러나 fig 6a에서 보듯 lienar bottleneck은 성능을 향상시켜주며, 이는 비선형성이 저차원 공간에서 정보를 소실시키는 것을 뒷받침한다.

7. Conclusions and future work

메모리 효율(모델 크기), 계산량에서 크게 이점을 가지는 MobileNet V2를 제안하였다. 그러면서도 정확도는 떨어지지 않는 모습을 보여준다.

이번 글에서는 GNN을 pre-train하는 과정에 대해 설명하는 논문에 대해 간략히 다뤄보겠습니다. domain-specific한 실험에 대한 내용이 많아 전반적인 과정과 인사이트에 대해서면 요약해서 정리해보겠습니다.

논문 원본은 이 곳에서 확인할 수 있습니다. pytorch geometric에서는 이 곳에서 처럼 본 논문에서 사용된 convolution layer를 모듈화 해 두었습니다.

Strategies for pre-training Grapn Neural Networks 설명

1. Introduction

거대한 모델을 pre-train한 후 downstream task에 적용하는 방법 효과적이라는 사실은 이미 증명이 되었습니다만, 이러한 과정이 GNN에도 효과적인지에 대해서는 여전히 의문 부호가 남습니다. 본 논문에서는 개별 node 및 전체 그래프 수준에서 효과적으로 GNN을 pre-train하고 이를 downstream task 수행 과정까지 잘 이어지도록 하는 방법에 대해 설명하고 있습니다.

pre-train의 어려운 점이라고 한다면, 목표로 하는 downstream task와 관계 있는 target label과 example을 잘 골라야 하는데 여기서 상당한 수준의 domain expertise가 필요하다는 점입니다. 만약 이를 적절히 수행하지 못한다면 downstram task에 negative transfer를 하는 셈이 될 것입니다.

논문에서는 이를 해결하기 위해 쉽게 접근할 수 있는 node-level의 정보를 이용하고 GNN으로 하여금 graph-level knowledge 외에도 node와 edge에 대한 domain-specific한 knowledge를 포착하도록 유도하는 것을 핵심 아이디어로 제시하고 있습니다.

2. Strategies for pre-training GNN

pre-train 전략의 핵심은 GNN을 개별 node-level 및 graph-level 모두에서 pre-train 시키는 것입니다.

2.1. node-level pre-training

먼저 node-level에 대해서 알아봅니다.

2가지 방법이 존재합니다. Context Prediction 과 Attribute Masking이 바로 그것입니다.

Context Prediction은 이웃 정보를 활용하여 해당 node 주위에 존재하는 그래프 구조를 예측하는 것이고 이 때 subgraph를 추출하여 학습이 진행됩니다. 그림에서처럼 context graph는 2가지 hyperparameter로 정의됩니다.

$r_1, r_2$ 는 각각 내부/외부 범위를 지정합니다. 위 그림에서 처럼 $r_2=4, r_1=1$ 로 설정하면 2-hop에서 4-hop 까지를 정보로 활용하겠다는 의미입니다. context anchor node를 지정하고 이 node들은 이웃들와 context 그래프가 얼마나 연결되어 있는지에 대한 정보를 제공합니다. 그리고 이에 대한 예측을 수행하기 위해서는 이들을 고정된 길이의 벡터로 변환해야 합니다. 논문에서는 이를 위해 context graph에 존재하는 node embedding들을 평균화하여 context embedding을 얻는다고 이야기 합니다. 그래프 $G$ 에서 이러한 context embedding을 얻었다면 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

[c_v^G]

어떻게 학습할지는 정했습니다. 그럼 label은 무엇일까요? 논문에서는 supervised-learning을 통해 pre-train하는 것을 제안하고 있습니다. 기본적으로 그래프 데이터만 주어지면 negative label은 딱히 존재하지 않습니다. 연결 되어 있지 않다는 정보를 바탕으로 negative label을 추출해야 합니다. 논문에서는 positive:negative 비율을 1:1로 맞추어 무작위 추출을 진행했다고 합니다.

그리고 다음 값을 구하여 학습을 진행합니다.

[\sigma( h_i^{(K)T} c_j^{G^j})]

그리고 만약 $i, j$ context graph가 같은 node에 속한다면 위 값은 1이 되어야 할 것이고 그렇지 않다면 0이 되어야 할 것입니다.

Attribute Masking은 node 및 edge의 attribute를 masking 하고 GNN이 이 특징을 예측하도록 task를 정의하는 것입니다. 무작위로 input node/edge attribute를 masking하고 GNN을 통해 이에 상응하는 node/edge embedding을 얻도록 합니다. 이 때 edge embedding은 edge의 end node에 해당하는 node들의 embedding의 합으로 구성됩니다. 그리고 최종적으로 마지막 linear model이 적용되어 masked node/edge attribute를 예측하도록 학습이 수행됩니다.

2.2. graph-level pre-training

이전 section에서 유용한 node embedding을 얻었습니다. 이를 통해 쓸모 있는 graph embedding을 만들어야 합니다. 이를 위해 2가지 task를 생각할 수 있습니다.

하나는 그래프의 구조적 유사성을 판별하는 일인데, 논문에서는 이 과정이 너무 어렵고 ground truth label을 찾는 것이 쉽지 않아 논문에서는 다루지 않겠다고 이야기 하고 있습니다.

다른 하나는 graph-level의 property를 예측하는 일입니다. 예를 들어 분자 구조 그래프가 있다고 할 때 이 구조의 특성을 예측해 볼 수 있을 것입니다.

graph-level representation인 $h_G$ 가 생성되었을 때 이를 직접적으로 downstream prediction task에서 파인 튜닝하는 데 사용하고 domain-specific한 정보를 $h_G$ 에 인코딩하도록 해야 합니다. 많은 graph property에 대해 동시에 예측을 진행하고 각각의 property에 대해 binary classification task를 수행합니다. 이 때는 물론 linear classifier가 붙어야 할 것입니다.

주의점은 있습니다. 그냥 생각 없이 pre-training task를 만들면 negative transfer가 일어날 수 있기 때문에 정말로 관계있는 supervised pre-training task를 구상해야 합니다. 물론 이를 위해서는 상당한 수준의 domain expertise가 필요할 것입니다.

이러한 문제를 조금이나마 덜기 위해 논문에서는 먼저 node-level의 pre-train을 수행하고 graph-level에서는 multi-task supervised pre-train을 수행하라고 이야기 합니다.

최종적으로 node-level, graph-level에서의 pre-training을 마쳤으면 이를 통해 downstream task를 풀어내면 됩니다.

(후략)

• MobileNet V1
• MobileNet V2
• MobileNet V3

이 글에서는 Google Inc.에서 발표한 MobileNet V1 논문을 간략하게 정리한다.

MobileNets: Efficient Convolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications

논문 링크: MobileNets: Efficient Convolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications

Github: https://github.com/tensorflow/models/blob/master/research/slim/nets/mobilenet_v1.md

• 2017년 4월(Arxiv)
• Google Inc.
• Andrew G. Howard, Menglong Zhu et al.

모바일 기기에서 동작하는 것을 목표로 한, 성능을 별로 희생하지 않으면서도 모델을 크게 경량화하였다.

Abstract

모바일, embedded vision 앱에서 사용되는 것을 목적으로 한 MobileNet이라는 효율적인 모델을 제시한다. Depth-wise separable convolutions라는 구조에 기반하며 2개의 단순한 hyper-parameter를 가진다. 이 2가지는 사용되는 환경에 따라 적절히 선택하여 적당한 크기의 모델을 선택할 수 있게 한다. 수많은 실험을 통해 가장 좋은 성능을 보이는 설정을 찾았으며 타 모델에 비해 성능이 거의 떨어지지 않으면서 모델 크기는 몇 배까지 줄인 모델을 소개한다.

1. Introduction

ConvNet은 computer vision 분야라면 어디서든 사용되었지만(2017년 논문이므로 이 당시에는 vision에 Transformer를 쓰지 않았다.) 모델의 크기가 너무 커지고 가성비가 좋지 않다. 그래서 이 논문에서는 모델의 크기와 성능(low latency)을 적절히 선택할 수 있도록 하는 2개의 hyper-parameter를 갖는 효율적인 모델을 제시한다. 섹션 2에서는 지금까지의 작은 모델을, 섹션 3에서는 MobileNet을 설명한다. 섹션 4에서는 실험을, 5에서는 요약을 서술한다.

2. Prior Work

모델 크기를 줄이는 연구도 많았다. 크게 2가지로 나뉘는데,

1. 사전학습된 네트워크를 압축하거나
2. 작은 네트워크를 직접 학습하는 방식이다.

이외에도 모델을 잘 압축하거나, 양자화, hashing, pruning 등이 사용되었다.

MobileNet은 기본적으로 작은 모델이지만 latency를 최적화하는 데 초점을 맞춘다. MobileNets은 Depthwise separable convolutions을 사용한다.

3. MobileNet Architecture

MobileNet에서 가장 중요한 부분은 Depthwise Separable Convolution이다.

3.1. Depthwise Separable Convolution

Factorized convolutions의 한 형태로, 표준 convolution을

• Depthwise convolution(dwConv)과
• Pointwise convolution(pwConv, $1 \times 1$ convolution)

으로 쪼갠 것이다.

dwConv는 각 입력 채널당 1개의 filter를 적용하고, pwConv는 dwConv의 결과를 합치기 위해 $1 \times 1$ conv를 적용한다. 이와 비교해서 표준 conv는 이 2가지 step이 하나로 합쳐져 있는 것이라 보면 된다.

DSConv(depthwise separable convolution)은 이를 2개의 layer로 나누어, filtering을 위한 separate layer, combining을 위핸 separate layer로 구성된다. 이는 모델 크기를 많이 줄일 수 있게 해 준다.

이 과정을 시각화하면 다음과 같다. 각 큐브는 3차원의 필터 모양(혹은 parameter의 개수)을 나타내며, 표준 conv는 딱 봐도 큐브의 부피 합이 커 보이지만 dwConv와 pwconv는 하나 또는 2개의 차원이 1이므로 그 부피가 작다(즉, parameter의 수가 많이 적다).

다르게 말해서 3차원적인 계산을 두 방향의 차원으로 먼저 계산한 후 나머지 한 차원을 그 다음에 계산하는 방식이라 생각해도 된다.

표준 conv의 입출력 크기는 다음과 같다.

• 입력 크기: $D_F \times D_F \times M$
• 출력 크기: $D_F \times D_F \times N$

그래서 표준 conv의 필터 개수는 그림 2에서 보듯이 $N$이다.

표준 conv의 연산량은 다음과 같다.

[D_K^2 \cdot M \cdot N \cdot D_F^2]

• $D_F$: 입력 Feature map의 너비와 높이
• $D_K$: Kernel의 크기

이와 비교해서 DSConv의 연산량은 다음과 같다.

[D_K^2 \cdot M \cdot D_F^2 + M \cdot N \cdot D_F^2]

연산의 비율은 다음과 같이 계산된다.

[\frac{1}{N} + \frac{1}{D_K^2}]

$N$은 보통 큰 편이므로 첫 항은 거의 무시되고, MobileNet에서 $D_K=3$을 사용하므로 연산은 8~9배 가량 줄어든다.

참고로 spatial 차원에서 한 번 더 쪼개는 것은 연산량을 거의 줄여주지 못한다(즉 2+1을 1+1+1로 계산하는 것은 별 의미가 없다).

3.2. Network Structure and Training

표준 Conv와 DSConv layer의 구조를 비교하면 아래 그림과 같다. $1 \times 1$ conv가 pwConv이다.

MobileNet은 맨 처음 layer를 full conv로 쓰는 것을 제외하면 전부 DSConv로 사용한다. dwConv는 표에는 Conv dw라고 표시되어 있다. $1 \times 1$ conv를 수행하는 부분이 pwConv이다.

Tensorflow, 그리고 Inception V3와 비슷하게 asynchronous gradient descent를 사용하는 RMSProp로 학습을 진행하였다.
DSConv에는 parameter가 별로 없어서 weight decay는 거의 또는 전혀 사용하지 않는 것이 낫다고 한다.

3.3. Width Multiplier: Thinner Models

이미 충분히 작지만 더 작고 빠르고 만들어야 하는 경우가 있다. Width multiplier라 부르는 $\alpha$라는 hyper-parameter는 각 layer마다 얼마나 (전체적으로 다) 얇게 만드는지를 결정한다. 입출력 채널 수는 $M, N$에서 $\alpha M, \alpha N$이 된다. $\alpha \in (0, 1]$이고 0.75, 0.5, 0.25등의 값을 쓸 수 있다. $\alpha=1$은 기본 MobileNet이다. 이 $\alpha$를 통해 얼마든지 작은 시스템에도 모델을 집어넣어 사용할 수 있다. 물론 정확도, latency, 크기 사이에는 trade-off가 존재한다.

3.4. Resolution Multiplier: Reduced Representation

두 번째 hyper-parameter는 해상도에 관한 multiplier $\rho$이다. 입력 이미지와 각 레이어의 내부 표현 전부를 이 multiplier를 곱해 줄인다. 이 역시 $\alpha$와 비슷하게 $\rho \in (0, 1]$이고 보통 이미지 해상도를 224, 192, 160, 128 정도로 만들게 한다. 계산량은 $\rho^2$에 비례하여 줄어든다.

4. Experiments

MobileNet을 여러 multiplier 등 여러 세팅을 바꿔가면서 실험한 결과인데, 주로 성능 하락은 크지 않으면서도 모델 크기나 계산량이 줄었음을 보여준다. 혹은 정확도는 낮아도 크기가 많이 작기 때문에 여러 embedded 환경에서 쓸 만하다는 주장을 한다.

4.1. Model Choices

Full conv와 DSConv의 차이는 명확하다. 정확도는 1%p 낮지만, 모델 크기는 7배 이상 작다.
또 Narrow와 Shallow MobileNet을 비교하면 아래와 같다. (깊고 얇은 모델 vs 얕고 두꺼운 모델)

4.2. Model Shrinking Hyperparameters

모델이 작을수록 성능도 떨어지긴 한다.

계산량과 성능 상의 trade-off는 아래처럼 나타난다. 계산량이 지수적으로 늘어나면, 정확도는 거의 선형적으로 늘어난다.

정확도, 계산량, 모델 크기를 종합적으로 비교해보자.

다른 모델(GoogleNet, VGG16 등)과 비교했을 때 MobileNet은 성능은 비슷하면서 계산량과 모델 크기에서 확실한 우위를 점한다.

4.3. SFine Grained Recognition

웹에서 얻은 대량이지만 noisy한 데이터를 사용하여 학습한 다음 Stanford Dogs dataset에서 테스트해보았다.

4.4. Large Scale Geolocalizaton

PlaNet을 geo-tagged 사진들로 MobileNet 구조로 재학습시켜 테스트한 결과는 위의 표 11에 나와 있다.

4.5. Face Attributes

MobileNet의 또 다른 쓸모 있는 점은 전혀 또는 거의 알려져 있지 않은(unknown or esoteric) 학습 과정을 가진 큰 모델을 압축할 수 있다는 것이다. MobileNet 구조를 사용하여 얼글 특징 분류기에서 distillation을 수행했는데, 이는 분류기가 GT label 대신에 더 큰 모델의 출력값을 모방하도록 학습하는 방식으로 작동한다. 기본 모델에 비해 최대 99%까지 연산량을 줄이면서도 성능 하락은 별로 없는 것을 볼 수 있다.

4.6. Object Detection

MobileNet을 물체 인식에도 적용시켜서 Faster-RCNN 등과 비교해 보았다. 이 결과 역시 모델 크기나 연산량에 비해 성능이 좋다는 것을 보여주고 있다.

4.7. Face Embeddings

얼굴인식 모델에서 FaceNet은 SOTA 모델인데, 적절히 distillation을 수행한 결과, 성능은 조금 낮으나 연산량을 고려하면 만족할 만한 수준인 것 같다.

5. Conclusion

Depthwise Separable Convolutions을 사용한 경량화된 모델 MobileNet을 제안하였다. 모델 크기나 연산량에 비해 성능은 크게 떨어지지 않고, 시스템의 환경에 따라 적절한 크기의 모델을 선택할 수 있도록 하는 여러 옵션(multiplier)를 제공하였다.