通过网络架构的设计来达到减少参数量的效果。等一下 要跟大家介绍深度可分离卷积（depthwise separable convolution）。在讲这个方法之前，先复 习一下CNN。在 CNN 的这种卷积层里面，每一个层的输入是一个特征映射。如图1 所 示，在这个例子里面，特征映射有两个通道，每一个滤波器的高度是2，而且这个滤波器并不 是一个长方形，而是一个立方体，通道有多少，的滤波器就得有多厚。再把这个滤波器扫过这 个特征映射，就会得到另外一个正方形。我们有几个滤波器，输出特征映射就有几个通道。这 边有4个滤波器，每一个滤波器都是立方体，输出特征映射就有4个通道。总共有4个滤波 器，每一个滤波器的参数量是3×3×2，要注意一下每一个滤波器，其实立方体总共的参数 量是3×3×2×4=72个参数。

图1  标准卷积

        接下来介绍下深度可分离卷积。深度可分离卷积分成两个步骤，第一个步骤称为深度卷 积（depthwise convolution）。如图 2所示，深度卷积要做的事情是有几个通道，我们就有 几个滤波器，每一个滤波器只管一个通道。举例来说，假设输入特征映射是两个通道，在深度 的卷积层里面，只放两个滤波器。不像之前在一般的卷积层里面，滤波器的数量跟通道的数量 是无关的。图17.9 中的通道只有两个，但滤波器可以有四个。但在深度卷积里面滤波器数量 与通道数量相同，每一个滤波器就只负责一个通道而已。假设浅蓝色的滤波器管第一个通道， 浅蓝色的滤波器在第一个通道上面滑过去，就算出一个特征映射。深蓝色的滤波器管第二个 通道，它就在第二个通道上面做卷积，也得到另外一个特征映射。因此在深度卷积里面，输入有几个通道，输出的通道的数量会是一模一样的，这个跟一般的卷积层不一样。一般的卷积层 里面，输入跟输出的通道数量可以不一样，但在深度卷积里面，输入跟输出的通道数量是一模 一样的。

图2 深度卷积

        但是如果只做深度卷积，会遇到一个问题：通道和通道之间没有任何的互动。假设有某一 个模式是跨通道才能够看得出来的，深度卷积对这种跨通道的模式是无能为力的，所以再多 加一个点卷积。点卷积是指现在一样有一堆滤波器，这个跟一般的卷积层是一样的。但这边做 一个限制是滤波器的大小，核大小通通都是1×1。在一般的卷积层里面，滤波器大小可能开 2×2,3×3,4×4。但是在点卷积里面，我们限制大小一定是1×1。如图3所示，1×1的 滤波器的作用是去考虑不同通道之间的关系。所以第一个1×1的滤波器就是去扫过这个深 度卷积出来的特征映射，然后得到另外一个特征映射。这边有另外三个滤波器，它们做的事情 也是一样，每一个滤波器会产生一个特征映射，所以点卷积跟一般的卷积层是一样的地方是， 输入跟输出的通道数量可以不一样。但是点卷积有一个非常大的限制，强制要求滤波器的大 小只准是1×1，只要考虑通道之间的关系就好了，不要考虑同一个通道内部的关系了。深度 卷积已经做完同一个通道内部的关系，所以点卷积只专注于考虑通道跟通道间的关系就好。

图3 点卷积

        如图4 所示，先来计算一下这个方法的参数量。深度卷积里面两个滤波器，每一个滤 波器大小是3×3，所以总共是3×3×2=18个参数。在点卷积里面，有四个滤波器，每一 个滤波器的大小是2，每个滤波器只用了两个参数，所以总共是2×4=8个参数。左边图是 一般的卷积，右边这个图是深度卷积加点卷积。

图 4 深度可分离卷积参数计算

        现在来比较一下这两者参数量的差异。假设我们先预设好，输入通道数量就是I 个通道， 输出通道数量就是O个通道。核大小都是k×k。如果是一般的卷积，要有k×k的核大小， 输入I 个通道，输出O个通道，到底会需要多少参数呢？每一个滤波器的大小应该是k×k， 核大小乘上输入通道的数量也就是k×k×I。如果要输出O个通道，就需要O个滤波器，一 个滤波器的参数量是k×k×I。总参数量是(k×k×I)×O。

        如果是深度卷积加点卷积，要达到输入 I 个通道，输出 O 个通道。深度卷积的滤波器 是没有厚度的，它的滤波器是没有厚度的，所以深度卷积所有的滤波器加起来的参数量只有 k×k×I 而已，跟一般的卷积里面的一个滤波器的参数量是一样的。点卷积的参数量是I×O。 假设输入通道的数量是I，每一个1×1的卷积的高度会是I。假设要输出O个通道，就要有O个1×1的卷积，所以点卷积的总参数量是I×O。如下式所示，把这两者进行比较，因为O通常是一个很大的值，通道数量可能设置为256或512，所以先忽略 1/ O ， 1/kxk 常是比较在这一整项里面是比较关键的数值。这一整项的大小跟 1/ k×k 通 k×k 是比较有关系的。假设核大小可能是3×3或者是2×2。假设核大小是2×2，把一般的卷积换成深度卷积加点卷 积组合的话，网络大小就变成 1 /4 。假设核大小是3×3，从卷积变成深度卷积加点卷积的时候， 网络大小就变成原来的 1 /9 。

        在深度可分离卷积之前，就已经有一个方法是用低秩近似（lowrankapproximation）来 减少一层网络的参数量。如图5所示，假设有某一个层有N 个神经元，输出有M 个神 经元。假设输入是N 个神经元，输出是M 个神经元，这两层之间的参数量是N×M。只要 N 跟M其中一者很大，W 的参数就很多了。怎么减少这个参数量呢？有一个非常简单的方 法是在N 跟M中间再插一层，这一层就不用激活函数，这一层神经元的数量是K。原来本 来只有一层，现在拆成两层，这两层里面的第一层用V 来表示，第二层用U 来表示。这两层 的网络参数量反而是比较少的。原来一层的网络的参数量是M×N。如果拆成两层网络，第 一层是N×K，第二层是K×M。如果K远小于M 跟N，U 跟V 的参数量加起来是比W 还要少的多。W 是N×M，U 跟V 的参数量加起来是K×(N+M)，只要K够小，整 体而言U+V 的参数量就会变少。之前过去常有的做法就是N =1000,M =1000，可以塞 个20或50，参数量就减少蛮多的。这样子的方法虽然可以减少参数量，但它还是会有一些限 制。把W 拆解成U×V 的时候，把W 用U 跟V 两层来分开表示的时候，我们会减少W 的可能性，本来W 可以放任何的参数。但假设把W 拆成U 跟V，矩阵W 的秩会小于等于 K。如果不知道秩是什么也没有关系，反正就是W 会有一些限制，所以会变成说不是所有的 W 都可以变成当作参数，参数会变成有一些限制。这个方法就是拿来减少参数的一个非常常 用的做法。其实刚才讲的深度卷积加点卷积（pointwise convolution）其实用的就是把一层拆 成两层的概念。

图5 低秩近似示例

        怎么说呢？如图6所示，先来看一下原来的卷积。在原来的卷积里面，左上角红色的 这一个矩的这个参数是怎么来的。是不是有一个红色的这个滤波器放在特征输入的特征映射 的左上角以后所得到的。在这个例子里面，一个滤波器的参数量是3×3×2=18，把滤波器 里面的18个参数跟输入特征映射左上角的这18个数值做内积以后，就会得到这边输出特征 映射左上角的值，所以每一个滤波器有18个参数。

图6 标准卷积与深度可分离卷积对比

        如果拆成深度卷积加点卷积两阶段，左上角输出特征映射，左上角这个数值来自于中间 的深度卷积的输出。所以左上角这个值来自于中间深度卷积的输出，左上角这两个值来自于 输入特征映射，第一个通道左上角这9个值跟第二个通道左上角这9个值。我们有两个滤波 器，这两个滤波器分别是9个输入，得到输出，接下来这两个滤波器的输出再把它综合起来， 得到最终的输出。所以本来是直接从这18个数值变成一个数值，现在是分两阶，18个数值 变两个数值再变一个数值。如果看黄色的这个特征映射左下角这个参数黄色的特征映射。左下角来自于深度卷积的输出。而左下角这两个数值来自于这个滤波器左下这来自于这个深度 卷积，来自于输入的这个特征映射。左下角的这 18 个数值，把一般的卷积拆成深度卷积加 点卷积的时候，就可以看成是把一层的网络拆解成两层的网络，其原理跟低秩近似是一样的， 把一层拆成两层，这个时候它对于参数的需求反而是减少了，这个是有关网络架构（network architecture）的设计。