如何计算CNN感受野、计算量和模型大小

野性酷女 2021-10-29 15:00 419阅读 0赞

下面以最经典的AlexNet模型为例子，计算感受野，模型计算量和大小（内存）。下面这张图是AlexNet的结构图，看起来比较直观。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly96aGFuZ3h1LmJsb2cuY3Nkbi5uZXQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# 感受野 #

感受野是检测和分割任务中比较重要的指标，它是一个逐层叠加的过程，计算到最后一层的卷积特征图输出上，它的计算公式是：  
 R F i = R F i − 1 + ( k e r n e l s i z e − 1 ) × s t r i d e ， R F 0 = 1 RF\_\{i\}=RF\_\{i-1\}+(kernelsize-1)\\times stride，RF\_\{0\}=1 RFi=RFi−1\+(kernelsize−1)×stride，RF0=1  
其中 R F 0 RF\_\{0\} RF0默认是输入层，感受野为1。所以AlexNet的感受野计算为：

*  第一层，卷积： R F 1 = 1 + ( 11 − 1 ) × 4 = 41 RF\_\{1\}=1+(11-1)\\times 4=41 RF1=1\+(11−1)×4=41
 *  第二层，池化： R F 2 = 41 + ( 3 − 1 ) × 2 = 45 RF\_\{2\}=41+(3-1)\\times 2=45 RF2=41\+(3−1)×2=45
 *  第三层，卷积： R F 3 = 45 + ( 5 − 1 ) × 2 = 53 RF\_\{3\}=45+(5-1)\\times 2=53 RF3=45\+(5−1)×2=53
 *  第四层，池化： R F 2 = 53 + ( 3 − 1 ) × 2 = 57 RF\_\{2\}=53+(3-1)\\times 2=57 RF2=53\+(3−1)×2=57
 *  第五层，卷积： R F 2 = 57 + ( 3 − 1 ) × 1 = 59 RF\_\{2\}=57+(3-1)\\times 1=59 RF2=57\+(3−1)×1=59
 *  第六层，卷积： R F 2 = 59 + ( 3 − 1 ) × 1 = 61 RF\_\{2\}=59+(3-1)\\times 1=61 RF2=59\+(3−1)×1=61
 *  第七层，卷积： R F 2 = 61 + ( 3 − 1 ) × 1 = 63 RF\_\{2\}=61+(3-1)\\times 1=63 RF2=61\+(3−1)×1=63
 *  第八层，池化： R F 2 = 63 + ( 3 − 1 ) × 2 = 67 RF\_\{2\}=63+(3-1)\\times 2=67 RF2=63\+(3−1)×2=67

第八层的输出就是 6 × 6 × 256 6\\times6\\times256 6×6×256，感受野的计算就结束了。

# 计算量 #

计算量是评价一个模型重要的标准之一，其实在模型的计算量统计时有两点简化的地方：

*  模型的不同层中，卷积层和全连接层是占据了绝大多数的计算量，所以下面我们只关注这两个层的计算；
 *  卷积层和全连接层都有对应的“+”操作，而这些“+”操作也被忽略掉了（一般情况下，是忽略“+”操作的，但是也会有例外，比如[YOLOv3][]在计算主干网络算力的时候）。

## 卷积层 ##

对于一个 w 1 × h 1 × c 1 w\_\{1\}\\times h\_\{1\}\\times c\_\{1\} w1×h1×c1的输入特征图，经过 3 × 3 3\\times3 3×3的卷积核，输出 w 2 × h 2 × c 2 w\_\{2\}\\times h\_\{2\}\\times c\_\{2\} w2×h2×c2的特征图，那么卷积一次将输出一个值，计算量为：  
 F o = 3 × 3 × c 1 + 1 F\_\{o\}=3\\times3\\times c\_\{1\}+1 Fo=3×3×c1\+1  
其中这个1是每个卷积核对应的偏置，它也要做一次乘运算，然后，卷积完一张特征图 w 2 × h 2 w\_\{2\}\\times h\_\{2\} w2×h2计算量为：  
 F c = F o × w 2 × h 2 F\_\{c\}=F\_\{o\}\\times w\_\{2\}\\times h\_\{2\} Fc=Fo×w2×h2  
最后需要 c 2 c\_\{2\} c2个卷积核才能完成 w 2 × h 2 × c 2 w\_\{2\}\\times h\_\{2\}\\times c\_\{2\} w2×h2×c2的输出：  
 F a = F c × c 2 F\_\{a\}=F\_\{c\}\\times c\_\{2\} Fa=Fc×c2

## 全连接层 ##

全连接层的计算量分析就更简单了，因为它没有滑动，就只输入相乘相加为一个输出，假设输出维度为 o 1 o\_\{1\} o1，输出维度为 o 2 o\_\{2\} o2，那么计算量为：  
 F = ( o 1 + 1 ) × o 2 F=(o\_\{1\}+1)\\times o\_\{2\} F=(o1\+1)×o2

AlexNet逐层计算计算量的话太多了，下面偷个懒，只算下第一层举个例子吧。  
![在这里插入图片描述][20190817144532102.png]  
这是AlexNet的的参数数量和计算量分布图，第一层卷积的计算量是105M FLOPs，FLOPs是“每秒浮点运算次数”，在作为计算量是，就是浮点运算次数，那么105MFLOPs就应该是 105 × 1 0 6 105\\times10^6 105×106次浮点运算。  
套用上面公式就是：  
 ( 11 × 11 × 3 + 1 ) × 55 × 55 × 96 = 105705600 = 105 M (11\\times11\\times3+1)\\times55\\times55\\times96= 105705600=105M (11×11×3\+1)×55×55×96=105705600=105M

# 模型大小 #

模型的大小完全由模型的参数数量和参数的存储形式决定：

## 卷积层 ##

卷积层的参数数量就是一个卷积核的参数乘上卷积核的个数：  
 P n = ( w × h × c i + 1 ) × c o P\_\{n\}=(w\\times h\\times c\_\{i\}+1)\\times c\_\{o\} Pn=(w×h×ci\+1)×co  
 w w w， h h h和 c\_\{i\}是卷积核的尺寸， c o c\_\{o\} co是卷积核个数，也就是输出通道数，1是偏置。

## 全连接层 ##

全连接层的参数数量输入输出的神经元连接的那个权重：  
 P n = ( o 1 + 1 ) × o 2 P\_\{n\}=(o\_\{1\}+1)\\times o\_\{2\} Pn=(o1\+1)×o2  
 o 1 o\_\{1\} o1是输入神经元个数，和 o 2 o\_\{2\} o2是输出神经元个数，1是偏置。

AlexNet的参数数量由60M个，也就是六千万个，参数只在卷积层和全连接层出现，下面还是只计算第一层卷积的参数：  
 96 × 11 × 11 × 3 + 96 = 34944 = 35 K 96\\times11\\times11\\times3+96=34944=35K 96×11×11×3\+96=34944=35K  
最后还剩下一个转换就是参数的数量，怎么转成存储的大小，一般情况下模型的参数是按照float形式存储的，占4个字节，AlexNet模型大小是238147KB：  
 60 M × 4 = 240000000 B = 234375 K B 60M\\times4=240000000B=234375KB 60M×4=240000000B=234375KB  
因为60M这个数是一个约等，所以计算出来是234375KB，而实际上是238147KB。

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[YOLOv3]: https://zhangxu.blog.csdn.net/article/details/99700184
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