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python神经网络Keras GhostNet模型的实现_python_

2023-05-26 379人已围观

简介 python神经网络Keras GhostNet模型的实现_python_

什么是GhostNet模型

GhostNet是华为诺亚方舟实验室提出来的一个非常有趣的网络，我们一起来学习一下。

2020年，华为新出了一个轻量级网络，命名为GhostNet。

在优秀CNN模型中，特征图存在冗余是非常重要的。如图所示，这个是对ResNet-50第一个残差块特征图进行可视化的结果，当我们给一个神经网络输入一张图片时，我们可以获得特别多的特征图。

利用小扳手连接起来的两幅特征图，它们的相似性就特别高，这个就是神经网络中存在的特征图冗杂的情况。

作者将相似的特征图认为是彼此的Ghost，所以这个网络就叫做GhostNet（误）。

在GhostNet这篇论文里面，作者认为可以使用一些计算量更低（Cheap Operations）的操作去生成这些冗余的特征图，这样就可以在保证良好检测效果的情况下，减少模型的参数量与提高模型的执行速度。

源码下载

GhostNet模型的实现思路

1、Ghost Module

通过上述的介绍，我们了解到了，GhostNet的核心思想就是使用一些计算量更低（Cheap Operations）的操作去生成这些冗余的特征图。

在论文中，作者设计了一个名为Ghost Module的模块，他的功能是代替普通卷积。

Ghost Module将普通卷积分为两部分，首先进行一个普通的1x1卷积，这是一个少量卷积，比如正常使用32通道的卷积，这里就用16通道的卷积，这个1x1卷积的作用类似于特征整合，生成输入特征层的特征浓缩。

然后我们再进行深度可分离卷积，这个深度可分离卷积是逐层卷积，它也就是我们上面提到的Cheap Operations。它利用上一步获得的特征浓缩生成Ghost特征图。

因此，如果我们从整体上去看这个Ghost Module，它其实就是两步简单思想的汇总：

1、利用1x1卷积获得输入特征的必要特征浓缩。

2、利用深度可分离卷积获得特征浓缩的相似特征图（Ghost）。

Ghost Module的实现代码如下：

def _ghost_module(inputs, exp, kernel, dw_kernel, ratio, strides=1, padding='same',use_bias=False, relu=True): output_channels = math.ceil(exp * 1.0 / ratio) x = Conv2D(output_channels, kernel, strides=strides, padding=padding, use_bias=use_bias)(inputs) x = BatchNormalization()(x) if relu: x = Activation('relu')(x) dw = DepthwiseConv2D(dw_kernel, strides, padding=padding, depth_multiplier=ratio-1, use_bias=use_bias)(x) dw = BatchNormalization()(dw) if relu: dw = Activation('relu')(dw) x = Concatenate(axis=-1)([x,dw]) x = Lambda(slices, arguments={'n':exp})(x) return x

2、Ghost Bottlenecks

Ghost Bottlenecks是由Ghost Module组成的瓶颈结构，就像这样。

其实本质上就是用Ghost Module，来代替瓶颈结构里面的普通卷积。

Ghost Bottlenecks可以分为两个部分，分别是主干部分和残差边部分，包含Ghost Module的，我们称它为主干部分。

Ghost Bottlenecks有两个种类，如下图所示，当我们需要对特征层的宽高进行压缩的时候，我们会设置这个Ghost Bottlenecks的Stride=2，即步长为2。

此时我们会Bottlenecks里面多添加一些卷积层，在主干部分里，我们会在两个Ghost Module中添加一个步长为2x2的深度可分离卷积进行特征层的宽高压缩。在残差边部分，我们也会添加上一个步长为2x2的深度可分离卷积和1x1的普通卷积。

Ghost Bottlenecks的实现代码如下：

def _ghost_bottleneck(inputs, output_channel, hidden_channel, kernel, ghost_kernel, strides, ratio, squeeze): input_shape = K.int_shape(inputs) # 获取输入张量的尺寸 x = _ghost_module(inputs, hidden_channel, [1,1], ghost_kernel, ratio) if strides > 1: x = DepthwiseConv2D(kernel, strides, padding='same', depth_multiplier=1, use_bias=False)(x) x = BatchNormalization()(x) if squeeze: x = _squeeze(x, hidden_channel, 4) x = _ghost_module(x, output_channel, [1,1], ghost_kernel, ratio, relu=False) if strides == 1 and input_shape[-1] == output_channel: res = inputs else: res = DepthwiseConv2D(kernel, strides=strides, padding='same', depth_multiplier=1, use_bias=False)(inputs) res = BatchNormalization()(res) res = Conv2D(output_channel, (1, 1), padding='same', strides=(1, 1), use_bias=False)(res) res = BatchNormalization()(res) x = Add()([res, x]) return x

3、Ghostnet的构建

整个Ghostnet的构建方式如列表所示：

可以看到，整个Ghostnet都是由Ghost Bottlenecks进行组成的。

当一张图片输入到Ghostnet当中时，我们首先进行一个16通道的普通1x1卷积块（卷积+标准化+激活函数）。

之后我们就开始Ghost Bottlenecks的堆叠了，利用Ghost Bottlenecks，我们最终获得了一个7x7x160的特征层（当输入是224x224x3的时候）。

然后我们会利用一个1x1的卷积块进行通道数的调整，此时我们可以获得一个7x7x960的特征层。

之后我们进行一次全局平均池化，然后再利用一个1x1的卷积块进行通道数的调整，获得一个1x1x1280的特征层。

然后平铺后进行全连接就可以进行分类了。

GhostNet的代码构建

1、模型代码的构建

GhostNet的实现代码如下，该代码是Ghostnet在YoloV4上的应用，可以参考一下：

import math import warnings import numpy as np import tensorflow as tf from keras import backend as K from keras.applications.imagenet_utils import decode_predictions from keras.initializers import random_normal from keras.layers import (Activation, Add, BatchNormalization, Concatenate, Conv2D, DepthwiseConv2D, GlobalAveragePooling2D, Lambda, Multiply, Reshape) def slices(dw, n): return dw[:,:,:,:n] def _make_divisible(v, divisor, min_value=None): if min_value is None: min_value = divisor new_v = max(min_value, int(v + divisor / 2) // divisor * divisor) if new_v < 0.9 * v: new_v += divisor return new_v def _squeeze(inputs, hidden_channel, ratio, block_id, sub_block_id): x = GlobalAveragePooling2D()(inputs) x = Reshape((1,1,-1))(x) x = Conv2D(_make_divisible(hidden_channel/ratio, 4), (1,1), strides=(1,1), padding='same', kernel_initializer=random_normal(stddev=0.02), name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".se.conv_reduce")(x) x = Activation('relu')(x) x = Conv2D(hidden_channel, (1,1),strides=(1,1), padding='same', kernel_initializer=random_normal(stddev=0.02), name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".se.conv_expand")(x) x = Activation('hard_sigmoid')(x) x = Multiply()([inputs, x]) # inputs和x逐元素相乘 return x def _ghost_module(inputs, exp, ratio, block_id, sub_block_id, part, kernel_size=1, dw_size=3, stride=1, relu=True): output_channels = math.ceil(exp * 1.0 / ratio) x = Conv2D(output_channels, kernel_size, strides=stride, padding="same", use_bias=False, kernel_initializer=random_normal(stddev=0.02), name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".ghost"+str(part)+".primary_conv.0")(inputs) x = BatchNormalization(name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".ghost"+str(part)+".primary_conv.1")(x) if relu: x = Activation('relu')(x) dw = DepthwiseConv2D(dw_size, 1, padding="same", depth_multiplier=ratio-1, use_bias=False, depthwise_initializer=random_normal(stddev=0.02), name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".ghost"+str(part)+".cheap_operation.0")(x) dw = BatchNormalization(name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".ghost"+str(part)+".cheap_operation.1")(dw) if relu: dw = Activation('relu')(dw) x = Concatenate(axis=-1)([x,dw]) x = Lambda(slices, arguments={'n':exp})(x) return x def _ghost_bottleneck(inputs, output_channel, hidden_channel, kernel, strides, ratio, squeeze, block_id, sub_block_id): input_shape = K.int_shape(inputs) x = _ghost_module(inputs, hidden_channel, ratio, block_id, sub_block_id, 1) if strides > 1: x = DepthwiseConv2D(kernel, strides, padding='same', depth_multiplier=1, use_bias=False, depthwise_initializer=random_normal(stddev=0.02), name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".conv_dw")(x) x = BatchNormalization(name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".bn_dw")(x) if squeeze: x = _squeeze(x, hidden_channel, 4, block_id, sub_block_id) x = _ghost_module(x, output_channel, ratio, block_id, sub_block_id, 2, relu=False) if strides == 1 and input_shape[-1] == output_channel: res = inputs else: res = DepthwiseConv2D(kernel, strides=strides, padding='same', depth_multiplier=1, use_bias=False, depthwise_initializer=random_normal(stddev=0.02), name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".shortcut.0")(inputs) res = BatchNormalization(name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".shortcut.1")(res) res = Conv2D(output_channel, (1, 1), padding='same', strides=(1, 1), use_bias=False, kernel_initializer=random_normal(stddev=0.02), name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".shortcut.2")(res) res = BatchNormalization(name="blocks."+str(block_id)+"."+str(sub_block_id)+".shortcut.3")(res) x = Add()([res, x]) return x def Ghostnet(inputs): x = Conv2D(16, (3, 3), padding="same", strides=(2, 2), use_bias=False, kernel_initializer=random_normal(stddev=0.02), name="conv_stem")(inputs) x = BatchNormalization(name="bn1")(x) x = Activation('relu')(x) x = _ghost_bottleneck(x, 16, 16, (3, 3), strides=1, ratio=2, squeeze=False, block_id=0, sub_block_id=0) x = _ghost_bottleneck(x, 24, 48, (3, 3), strides=2, ratio=2, squeeze=False, block_id=1, sub_block_id=0) x = _ghost_bottleneck(x, 24, 72, (3, 3), strides=1, ratio=2, squeeze=False, block_id=2, sub_block_id=0) x = _ghost_bottleneck(x, 40, 72, (5, 5), strides=2, ratio=2, squeeze=True, block_id=3, sub_block_id=0) x = _ghost_bottleneck(x, 40, 120, (5, 5), strides=1, ratio=2, squeeze=True, block_id=4, sub_block_id=0) feat1 = x x = _ghost_bottleneck(x, 80, 240, (3, 3), strides=2, ratio=2, squeeze=False, block_id=5, sub_block_id=0) x = _ghost_bottleneck(x, 80, 200, (3, 3), strides=1, ratio=2, squeeze=False, block_id=6, sub_block_id=0) x = _ghost_bottleneck(x, 80, 184, (3, 3), strides=1, ratio=2, squeeze=False, block_id=6, sub_block_id=1) x = _ghost_bottleneck(x, 80, 184, (3, 3), strides=1, ratio=2, squeeze=False, block_id=6, sub_block_id=2) x = _ghost_bottleneck(x, 112, 480, (3, 3), strides=1, ratio=2, squeeze=True, block_id=6, sub_block_id=3) x = _ghost_bottleneck(x, 112, 672, (3, 3), strides=1, ratio=2, squeeze=True, block_id=6, sub_block_id=4) feat2 = x x = _ghost_bottleneck
                
                

                

                                            
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