[人工智能]ConvNeXt

ConvNeXt

注：以下笔记参考原论文以及这个博客做了简化。

Macro Design

• Changing stage ratio: 在ResNet中，一般conv4_x(stage3)堆叠的block数最大，ResNet50中，各个stage堆叠的block数大约为（3，4，6，3），比例为1：1：2：1。Swin Transformer中stage3的比例更高，故将ResNet的堆叠次数从（3，4，6，3）调整为（3，3，9，3），和Swin-T有相似的FLOPs，调整后，准确率由78.8%上升到79.4%
• Changing stem to "Patchify”：ResNet中的下采样是采用stride为2的7x7的卷积层以及stride为2的最大池化下采样共同组成。Transformer中一般都是通过一个stride等于kernel_size的卷积层实现下采样，看起来就像是把一个patch通过上述的卷积层下采样为1个像素，下采样倍数等于kernel_size。替换后准确率从79.4%提升到79.5%，并且FLOPs也降低了。

ResNeXt-ify

• ResNeXt中使用了组卷积使得其在FLOPs和accuracy上做到了比较好的平衡。这里ConvNeXt中直接使用了MobileNet中提出的depthwise-conv替换ResBkock中的3x3卷积。同时作者将通道数从64变成了96，最终准确率达到了80.5%。

Inverted Bottleneck

• 作者认为Transformer block中的MLP模块与MobileNetV2中的Inverted bottlenect结构类似，都是两头细中间粗的结构。ConvNeXt最终将结构从下图a修改为c，b为MobileNetV2使用的Inverted bottleneck。作者采用Inverted bottleneck后在较小的模型上准确率从80.5%提升到了80.6%，在较大模型上准确率从81.9%提升到82.6%，并且FLOPs由小幅度降低

Large kernel size

由于Transformer中一般都是做全局的self-attention，比如vision transformer，而且Swin Transformer中也有7x7的窗口大小。但是目前主流的神经网络都是采用3x3大小的窗口，因为之前VGG中提到堆叠多个3x3卷积层可以替代更大的卷积层，且3x3卷积层的优化比较高效。

• Moving up depthwise convolution: 将1x1conv→depthwise conv → 1x1conv变为depthwise conv→1x1conv→1x1conv，准确率下降到79.9%，同时FLOPs也减小了
• Increasing kernel size：修改depth wise的卷积核为7x7，同时作者尝试过其他尺寸的卷积核，包括3，5，7，9，11发现到7时准确率就达到了饱和。并且准确率从79.9%（3x3)增长到80.6%（7x7)

Macro Design

主要关注更细小的差异，比如激活函数以及Normalization等

• Relu→GRELU：将Relu激活函数换成GELU激活函数，准确率没有明显变化
• fewer activation：使用更少的激活函数，一般卷积网络中会在卷积层或者全连接层后面都接一个激活函数，但是Transformer中MLP只在第一个全连接层后跟了GELU激活函数。作者在ConvNeXt中也减少了激活函数，depthwise conv→1x1conv + GELU→1x1conv，准确率从80.6%上涨到81.3%
• Fewer normalization layers：作者在ConvNeXt中只在7x7的depthwise conv后面使用了Normalization，准确率上升了0.1%，到达81.4%
• Substitute BN with LN：使用layer norm替换batch norm，准确率上升了0.1%，到达81.5%
• Separate downsampling layers：原ResNet中stage2-stage4中的下采样是通过将主分支的3x3卷积步距设置为2，捷径分支上1x1的卷积层步距设置为2进行的。Swin Transformer中是通过一个单独的patch merging实现的，ConvNeXt中作者单独使用了一个下采样层，通过一个Layer norm加上一个卷积核大小为2，stride为2的卷积层组成，最终准确率提升到82.0%

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