[딥러닝] Depthwise Separable Covolution with Pytorch( feat. Convolution parameters VS Depthwise Separable Covolution parameters )

글의 가독성을 위해 아래 링크에 정리해둠.

https://blog.naver.com/younjung1996/223413266165

[딥러닝] Depth-wise Separable Convolution

안녕하세요. 

 

Google Coral에서 학습된 모델을 통해 추론을 할 수 있는 Coral Board & USB Accelator 가 있습니다. 

 

저는 Coral Board를 사용하지 않고, 라즈베리파이4에 USB Accelator를 연결하여 사용할 생각입니다. 

 

딥러닝을 위해 나온 제품이라 할지라도 아직 부족한 부분이 많습니다.

 

이런 고성능 환경이 아닌 곳에서도 학습하고, 추론할 수 있는 모바일 넷(Mobile Net)이 개발되었습니다. 

 

그 중 Mobile Net의 Architecture에서 Depthwise Separable Convolution에 대해 이야기하겠습니다. 

 

Depthwise separable Convoltion은 Parameter를 줄임으로, 연산량을 줄이고, 속도를 높이는 기법입니다. 

 

 

 

 

 

https://hichoe95.tistory.com/48

Different types of Convolutions (Grouped convolution, depthwise convolution, pointwise convolution, depthwise separable convolut

 

Depthwise Separable Convolution = Depthwise Convolution + Pointwise Convolution

 

아마 Depthwise Separable Convolution을 공부하실 때 위 그림을 가장 많이 보셨을겁니다.

 

 

 

Depthwise Convolution으로 채널간 Spartial Correlations을 고려하여 ~ 각각 독립적으로 패턴을 파악하고 ~ 

Pointwise Convolution으로 Cross Channel Correlations로 채널을 조절할 수 있는 ~ 블라블라

 

위 블로그 분께서 굉장히 정리를 잘해주셨습니다.

 

그럼 저의 글의 목적은 무엇이냐.

 

Standard Convolution과 Depthwise Separable Covolution를 pytorch로 구현하여 정말로 파라미터 수와 연산량이 줄어드는지 결과값을 눈으로 확인하는 것입니다.

 

 

1. Standard Convolution

Convolution = K * K * C * M

 

k : Kernel ( 3으로 가정)

c : intput_dimension (channel ) (100으로 가정)

m : output_dimension (activation map) (1000으로 가정)

 

standard_convolution = nn.Conv2d(in_channels=100, out_channels=1000, kernel_size=3, bias=False)

----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1         [-1, 1000, 15, 15]         900,000
================================================================
Total params: 900,000
Trainable params: 900,000
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.11
Forward/backward pass size (MB): 1.72
Params size (MB): 3.43
Estimated Total Size (MB): 5.26
----------------------------------------------------------------

 

 

2. Depth-wise Convolution

Depthwise Convolutuon = K * K * C

 

k : Kernel ( 3으로 가정)

c : intput_dimension (channel ) (100으로 가정)

m : output_dimension (activation map) (1000으로 가정)

 

depthwise_convolution = nn.Conv2d(in_channels=100, out_channels=1000, kernel_size=3, groups=100,bias=False)

----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1          [-1, 100, 15, 15]             900
================================================================
Total params: 900
Trainable params: 900
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.11
Forward/backward pass size (MB): 0.17
Params size (MB): 0.00
Estimated Total Size (MB): 0.29
----------------------------------------------------------------

 

 

3. Point-wise Convolution ( 1 x 1 Convolution )

Pointwise Convolutuon = C * M

 

k : Kernel ( 3으로 가정)

c : intput_dimension (channel ) (100으로 가정)

m : output_dimension (activation map) (1000으로 가정)

 

pointwise_convolution = nn.Conv2d(in_channels=100, out_channels=1000, kernel_size=1, bias=False)

----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1         [-1, 1000, 17, 17]         100,000
================================================================
Total params: 100,000
Trainable params: 100,000
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.11
Forward/backward pass size (MB): 2.20
Params size (MB): 0.38
Estimated Total Size (MB): 2.70
----------------------------------------------------------------

 

 

4. Depthwise Separable Convolution 

Depthwise Separable Convolution = K * K * C + C * M = C( K * K + M )

 

k : Kernel ( 3으로 가정)

c : intput_dimension (channel ) (100으로 가정)

m : output_dimension (activation map) (1000으로 가정)

 

depthwise_separable_convolution = nn.Sequential(
    nn.Conv2d(in_channels=100,
              out_channels=100,
              kernel_size=3,
              groups=100,
              bias=False),

    nn.Conv2d(in_channels=100,
              out_channels=1000,
              kernel_size=1,
              bias=False)
)

----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1          [-1, 100, 15, 15]             900
            Conv2d-2         [-1, 1000, 15, 15]         100,000
================================================================
Total params: 100,900
Trainable params: 100,900
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.11
Forward/backward pass size (MB): 1.89
Params size (MB): 0.38
Estimated Total Size (MB): 2.38
----------------------------------------------------------------

Depthwise Separable Convolution = Depthwise Convolution + Pointwise Convolution ( 100900 = 100000 + 900 ) 

 

Standard Convolution Parameters = 900,000

Depthwise Separable Convolution Parameters = 100,900

 

=> 약 K(Kernel Size) 제곱의 차이

 

5. Kernel Size가 값이 굉장히 크다면... ( kerenl size == 7 )

 

Standard Convolution 

----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1         [-1, 1000, 11, 11]       4,900,000
================================================================
Total params: 4,900,000
Trainable params: 4,900,000
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.11
Forward/backward pass size (MB): 0.92
Params size (MB): 18.69
Estimated Total Size (MB): 19.73
----------------------------------------------------------------

 

Depthwise separable Convolution 

----------------------------------------------------------------
        Layer (type)               Output Shape         Param #
================================================================
            Conv2d-1          [-1, 100, 11, 11]           4,900
            Conv2d-2         [-1, 1000, 11, 11]         100,000
================================================================
Total params: 104,900
Trainable params: 104,900
Non-trainable params: 0
----------------------------------------------------------------
Input size (MB): 0.11
Forward/backward pass size (MB): 1.02
Params size (MB): 0.40
Estimated Total Size (MB): 1.53
----------------------------------------------------------------

 

Kernel의 사이즈가 커질수록, 엄청난 파라미터 수의 감소를 보여주며, 곱셈을 덧셈으로 대체하기 때문에 연산이 굉장히 빨라집니다.

 

이러한 특징덕에 의해, Depthwise separable Convolution를 통한 Inception, Xception, mobile net 등 여러 논문에서 많이 등장합니다.