shufflenet中channel shuffle原理

分组卷积与特征通信
本文探讨了分组卷积(Groupconvolution)在深度学习中的应用,它通过减少计算量来提高效率。但同时也带来了特征图间通信的问题,文章介绍了如何通过1x1pointwiseconvolution和channelshuffle技术解决这一挑战,确保网络能有效提取特征。

分组卷积
Group convolution是将输入层的不同特征图进行分组,然后采用不同的卷积核再对各个组进行卷积,这样会降低卷积的计算量。因为一般的卷积都是在所有的输入特征图上做卷积,可以说是全通道卷积,这是一种通道密集连接方式(channel dense connection),而group convolution相比则是一种通道稀疏连接方式
具体过程可见我的另一个博客
https://blog.youkuaiyun.com/ding_programmer/article/details/104469348

分组卷积的矛盾——特征通信
group convolution层另一个问题是不同组之间的特征图需要通信,否则就好像分了几个互不相干的路,大家各走各的,会降低网络的特征提取能力,这也可以解释为什么Xception,MobileNet等网络采用密集的1x1 pointwise convolution,因为要保证group convolution之后不同组的特征图之间的信息交流。

channel shuffle

为达到特征通信目的,我们不采用dense pointwise convolution,考虑其他的思路:channel shuffle。如图b,其含义就是对group convolution之后的特征图进行“重组”,这样可以保证接下了采用的group convolution其输入来自不同的组,因此信息可以在不同组之间流转。图c进一步的展示了这一过程并随机,其实是“均匀地打乱”。

在程序上实现channel shuffle是非常容易的:假定将输入层分为 g 组,总通道数为 g×ng \times ng×n,首先你将通道那个维度拆分为 (g,n) 两个维度,然后将这两个维度转置变成 (n,g) ,最后重新reshape成一个维度 g×ng\times ng×n

在这里插入图片描述

<think>嗯,用户现在想找Channel Shuffle的数学公式或者相关表达式。之前我回答过YOLOv8中的1x1分组卷积公式推导,里面提到了通道重排(Channel Shuffle)用来维持特征交互。用户现在可能是在研究如何将分组卷积和通道混洗结合起来,特别是在轻量化模型中的应用,比如ShuffleNet。 首先,我需要回顾之前的对话,用户之前的问题是关于1x1分组卷积的公式推导,我给出了分组卷积的数学表达式,并在结论中提到引入分组卷积需要配合通道重排。现在用户直接询问Channel Shuffle的数学公式,可能需要更具体的表达式。 接下来,我需要查看用户提供的引用内容。引用[1]提到ShuffleNet使用分组卷积和通道混洗,引用[2]详细说明了channel shuffle的过程,将每个组的特征分成子组并重新排列。引用[3]有代码示例,但用户需要数学公式。 用户的需求是找到Channel Shuffle的数学表达式,可能需要用数学符号描述通道的重新排列过程。根据引用[2]的描述,输入经过分组卷积后得到多个组的特征,然后每个组再分成子组,最后将这些子组重新组合。例如,假设输入特征通道数为G×K,分成G组,每组K个通道,然后每个组分成m个子组,那么重新排列时,取每个组的第i个子组放在一起,形成新的组。 数学上,可以将输入视为一个张量,调整维度后转置,再重新展平。例如,输入形状为[N, G, K, H, W],转置后变为[N, K, G, H, W],然后重新调整形状为[N, G×K, H, W]。这样每个子组被重新排列到不同的位置,促进组间信息交流。 需要将这些步骤用公式表达出来,可能涉及reshape和transpose操作。此外,要说明输入通道的分组和子组划分,以及如何通过索引操作进行混洗。例如,将总通道数C分成G组,每组有M=C/G个通道,然后将每个组分成m个子组,每个子组有M/m个通道,之后重新排列这些子组。 另外,可能需要提到通道混洗的逆过程,比如当分组数和子组数不同时的处理方式,或者更一般的数学表示。同时,结合代码示例中的操作,比如PyTorch中的reshape和permute函数,可以加强公式的实用性。 总结来说,用户需要的是用数学符号详细描述通道混洗的过程,包括分组、子组划分、转置和重组步骤,以及可能的参数和变量定义。同时,需要引用之前提到的ShuffleNet中的实现,确保公式的准确性,并解释每个步骤的作用。</think>### Channel Shuffle数学公式推导 --- #### 一、核心定义 1. **通道混洗目的**:解决分组卷积导致的组间信息隔离,通过重新排列通道位置实现跨组信息交互[^2] 2. **数学本质**:对特征通道进行维度变换和置换操作,建立新的通道连接关系 --- #### 二、基础符号定义 - 输入特征:$X \in \mathbb{R}^{N \times C \times H \times W}$(批大小$N$,通道数$C$,空间尺寸$H \times W$) - 分组数:$G$(要求$C$能被$G$整除) - 子组数:$K$(通常取$K=G$,即每组生成$K$个子组) --- #### 三、数学表达式推导 ##### 1. 初始分组卷积输出 假设经过分组卷积后的特征为: $$ X_{\text{group}} \in \mathbb{R}^{N \times G \times \frac{C}{G} \times H \times W} $$ (将$C$个通道分成$G$组,每组$\frac{C}{G}$通道) ##### 2. 通道维度分解 将每个组的通道进一步划分为$K$个子组: $$ X_{\text{split}} = \text{Reshape}\left(X_{\text{group}},\ [N, G, K, \frac{C}{G \times K}, H, W]\right) $$ ##### 3. 维度置换关键操作 通过转置操作交换分组维度: $$ X_{\text{transposed}} = \text{Permute}(X_{\text{split}},\ [0, 2, 1, 3, 4, 5]) $$ 此时维度变为: $$ [N, K, G, \frac{C}{G \times K}, H, W] $$ ##### 4. 最终通道混洗输出 重组维度恢复标准形状: $$ X_{\text{shuffle}} = \text{Reshape}\left(X_{\text{transposed}},\ [N, C, H, W]\right) $$ --- #### 四、实例验证(G=3, K=3) 1. **输入特征**:$X \in \mathbb{R}^{N \times 9 \times H \times W}$(总通道数$C=9$) 2. **分组卷积输出**:$\mathbb{R}^{N \times 3 \times 3 \times H \times W}$($G=3$组,每组3通道) 3. **维度分解**:$\mathbb{R}^{N \times 3 \times 3 \times 1 \times H \times W}$($K=3$子组) 4. **转置操作**:$\mathbb{R}^{N \times 3 \times 3 \times 1 \times H \times W} \Rightarrow \mathbb{R}^{N \times 3 \times 3 \times 1 \times H \times W}$ 5. **重组输出**:$\mathbb{R}^{N \times 9 \times H \times W}$(新通道顺序:1,4,7,2,5,8,3,6,9) --- #### 五、数学表达式统一形式 设原始通道索引为$c \in [0,C-1]$,混洗后的新索引为: $$ c' = \left( c \cdot K + \left\lfloor \frac{c}{G} \right\rfloor \right) \mod C $$ 其中: - $G$为分组数 - $K$为每个组的子组数(通常$K=G$) --- #### 六、代码对应关系(PyTorch实现) ```python def channel_shuffle(x, groups): batch_size, num_channels, height, width = x.size() channels_per_group = num_channels // groups # 公式步骤分解 x = x.view(batch_size, groups, channels_per_group, height, width) # 对应步骤2 x = x.permute(0, 2, 1, 3, 4).contiguous() # 对应步骤3 x = x.view(batch_size, -1, height, width) # 对应步骤4 return x ``` --- #### 七、关键特性分析 1. **信息交互度**:通过混洗操作,每个输出通道将接收来自$\frac{K}{G}$个原始组的特征[^2] 2. **计算代价**:仅增加维度变换操作,无额外参数引入 3. **拓扑保持性**:混洗操作不改变特征图的空间维度$H \times W$ --- ### 相关问题 1. 如何选择最优的分组数$G$? 2. 通道混洗与注意力机制的结合方式? 3. 在非均匀分组情况下如何设计混洗策略? [^1]: ShuffleNet算法原理说明 [^2]: 通道混洗实现跨组信息交互 [^3]: ShuffleNetV2代码实现细节
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