深度学习算法优化系列五 | 使用TensorFlow-Lite对LeNet进行训练后量化

前言

在深度学习算法优化系列三 | Google CVPR2018 int8量化算法 这篇推文中已经详细介绍了Google提出的Min-Max量化方式，关于原理这一小节就不再赘述了，感兴趣的去看一下那篇推文即可。今天主要是利用tflite来跑一下这个量化算法，量化一个最简单的LeNet-5模型来说明一下量化的有效性。tflite全称为TensorFlow Lite，是一种用于设备端推断的开源深度学习框架。中文官方地址我放附录了，我们理解为这个框架可以把我们用tensorflow训练出来的模型转换到移动端进行部署即可，在这个转换过程中就可以自动调用算法执行模型剪枝，模型量化了。由于我并不熟悉将tflite模型放到Android端进行测试的过程，所以我将tflite模型直接在PC上进行了测试（包括精度，速度，模型大小）。

环境配置

• tensorflow 1.31.1
• python3.5

代码实战

导入一些需要用到的头文件。

#coding=utf-8
import re
import time
import numpy as np
import tensorflow as tf
import tensorflow.contrib.slim as slim
from tensorflow.contrib.slim import get_variables_to_restore
import tensorflow.examples.tutorials.mnist.input_data as input_data

设置一些超参数，分别为dropout层的丢弃比率，学习率，批量大小，模型需要保存的路径以及训练的迭代次数。

# 参数设置
KEEP_PROB = 0.5
LEARNING_RATE = 1e-5
BATCH_SIZE = 30
PARAMETER_FILE = "./checkpoint/variable.ckpt-100000"
MAX_ITER = 100000

构建我们的训练网络，这里使用LeNet，想使用其他网络或者自己的网络相应修改即可。注意一下这里使用了tensorflow中的变量重用函数，方便的控制在测试阶段不使用Dropout。关于Lenet可以详细的看一下我之前的推文，地址如下：卷积神经网络学习路线（六）| 经典网络回顾之LeNet 同时在LeNet类中已经定义好了损失函数和优化器，所以接下来我们就可以直接启动训练啦。

# Build LeNet
class Lenet:
    def __init__(self, is_train=True):
        self.raw_input_image = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784], "inputs")
        self.input_images = tf.reshape(self.raw_input_image, [-1, 28, 28, 1])
        self.raw_input_label = tf.placeholder("float", [None, 10], "labels")
        self.input_labels = tf.cast(self.raw_input_label, tf.int32)
        self.dropout = KEEP_PROB
        self.is_train = is_train

        with tf.variable_scope("Lenet") as scope:
            self.train_digits = self.build(True)
            scope.reuse_variables() #变量重用
            self.pred_digits = self.build(False) #测试的时候不用Dropout

        self.loss = slim.losses.softmax_cross_entropy(self.train_digits, self.input_labels)
        self.lr = LEARNING_RATE
        self.train_op = tf.train.AdamOptimizer(self.lr).minimize(self.loss)

        self.predictions = tf.arg_max(self.pred_digits, 1, name="predictions")
        self.correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(self.pred_digits, 1), tf.argmax(self.input_labels, 1))
        self.train_accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(self.correct_prediction, "float"))

    def build(self, is_trained=True):
        with slim.arg_scope([slim.conv2d], padding='VALID',
                            weights_initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.01),
                            weights_regularizer=slim.l2_regularizer(0.0005)):
            net = slim.conv2d(self.input_images, 6, [5, 5], 1, padding='SAME', scope='conv1')
            net = slim.max_pool2d(net, [2, 2], scope='pool2')
            net = slim.conv2d(net, 16, [5, 5], 1, scope='conv3')
            net = slim.max_pool2d(net, [2, 2], scope='pool4')
            net = slim.conv2d(net, 120, [5, 5], 1, scope='conv5')
            net = slim.flatten(net, scope='flat6')
            net = slim.fully_connected(net, 84, scope='fc7')
            net = slim.dropout(net, self.dropout, is_training=is_trained, scope='dropout8')
            digits = slim.fully_connected(net, 10, scope='fc9')
        return digits

开始训练原始的LeNet模型，代码如下。在builder = tf.saved_model.builder.SavedModelBuilder("pb_model")这一行代码之前的都是常规的进行模型训练的步骤。然后后面保存为saved_model是干什么的呢？因为将tensorflow模型转换为tflite模型有多种方法例如将tensorflow模型的checkpoint模型固化为pb模型然后使用toco工具转换为tflite模型，但这个过程稍显麻烦。所以这里我选择使用savedModel来保存模型，这个模型可以直接转换为tflite，在转换工程中调用相关代码进行量化。训练完成后会在checkpoint文件夹下生成这4个文件。
并同时生成pb_model文件夹，即用SavedModel保存的模型，如下所示：

def train():
    mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True)
    test_images = mnist.test.images
    test_labels = mnist.test.labels
    sess = tf.Session()
    batch_size = BATCH_SIZE
    paramter_path = PARAMETER_FILE
    max_iter = MAX_ITER

    lenet = Lenet()
    variables = get_variables_to_restore()
    save_vars = [variable for variable in variables if not re.search("Adam", variable.name)]

    saver = tf.train.Saver(save_vars)
    sess.run(tf.initialize_all_variables())
    # 用来显示标量信息
    tf.summary.scalar("loss", lenet.loss)
    # merge_all 可以将所有summary全部保存到磁盘，以便tensorboard显示。如果没有特殊要求，
    # 一般用这一句就可一显示训练时的各种信息了。
    summary_op = tf.summary.merge_all()
    # 指定一个文件用来保存图
    train_summary_writer = tf.summary.FileWriter("logs", sess.graph)

    for i in range(max_iter):
        batch = mnist.train.next_batch(batch_size)
        if i % 100 == 0:
            train_accuracy, summary = sess.run([lenet.train_accuracy, summary_op], feed_dict={
                lenet.raw_input_image: batch[0],
                lenet.raw_input_label: batch[1]
            })
            train_summary_writer.add_summary(summary)
            print("step %d, training accuracy %g" % (i, train_accuracy))

        if i % 500 == 0:
            test_accuracy = sess.run(lenet.train_accuracy, feed_dict={lenet.raw_input_image: test_images,
                                                                      lenet.raw_input_label: test_labels})
            print("\n")
            print("step %d, test accuracy %g" % (i, test_accuracy))
            print("\n")
        sess.run(lenet.train_op, feed_dict={lenet.raw_input_image: batch[0],
                                            lenet.raw_input_label: batch[1]})
    saver.save(sess, paramter_path)
    print("saved model")

    # 保存为saved_model
    builder = tf.saved_model.builder.SavedModelBuilder("pb_model")
    inputs = {"inputs": tf.saved_model.utils.build_tensor_info(lenet.raw_input_image)}
    outputs = {"predictions": tf.saved_model.utils.build_tensor_info(lenet.predictions)}
    prediction_signature = tf.saved_model.signature_def_utils.build_signature_def(inputs=inputs, outputs=outputs,
                                                method_name=tf.saved_model.signature_constants.PREDICT_METHOD_NAME)

    legacy_init_op = tf.group(tf.tables_initializer(), name="legacy_init_op")
    builder.add_meta_graph_and_variables(sess, [tf.saved_model.tag_constants.SERVING],
                                         signature_def_map={"serving_default": prediction_signature},
                                         legacy_init_op=legacy_init_op, saver=saver)
    builder.save()

将模型转为tflite，调用的tf.lite.TFLiteConverter。并执行量化操作，这样模型大小被压缩到了之前的1/4左右。 代码如下：

# 将Saved_Model转为tflite，调用的tf.lite.TFLiteConverter
def convert_to_tflite():
    saved_model_dir = "./pb_model"
    converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(saved_model_dir,
                                                     input_arrays=["inputs"],
                                                     input_shapes={"inputs": [1, 784]},
                                                     output_arrays=["predictions"])
    converter.optimizations = ["DEFAULT"]
    converter.post_training_quantize = True
    tflite_model = converter.convert()
    open("tflite_model/eval_graph.tflite", "wb").write(tflite_model)

最后我们再写两个测试的代码，分别对原始模型和量化后模型的推理速度和精度进行一个测试，代码如下：

# 使用原始的checkpoint进行预测
def origin_predict():
    mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True)
    sess = tf.Session()
    saver = tf.train.import_meta_graph("./checkpoint/variable.ckpt-100000.meta")
    saver.restore(sess, "./checkpoint/variable.ckpt-100000")

    input_node = sess.graph.get_tensor_by_name('inputs:0')
    pred = sess.graph.get_tensor_by_name('predictions:0')
    labels = [label.index(1) for label in mnist.test.labels.tolist()]
    predictions = []
    start_time = time.time()
    for image in mnist.test.images:
        prediction = sess.run(pred, feed_dict={input_node: [image]}).tolist()[0]
        predictions.append(prediction)
    end_time = time.time()
    correct = 0
    for prediction, label in zip(predictions, labels):
        if prediction == label:
            correct += 1
    print(correct / len(labels))
    print((end_time - start_time))

# 使用tflite进行预测
def tflite_predict():
    mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True)
    labels = [label.index(1) for label in mnist.test.labels.tolist()]
    images = mnist.test.images
    #images = np.array(images, dtype="uint8")
    # 根据tflite文件生成解析器
    interpreter = tf.contrib.lite.Interpreter(model_path="tflite_model/eval_graph.tflite")
    # 用allocate_tensors()分配内存
    interpreter.allocate_tensors()
    # 获取输入输出tensor
    input_details = interpreter.get_input_details()
    output_details = interpreter.get_output_details()

    predictions = []
    start_time = time.time()
    for image in images:
        # 填充输入tensor
        interpreter.set_tensor(input_details[0]['index'], [image])
        # 前向推理
        interpreter.invoke()
        # 获取输出tensor
        score = interpreter.get_tensor(output_details[0]['index'])[0][0]
        # # 结果去掉无用的维度
        # result = np.squeeze(score)
        # #print('result:{}'.format(result))
        # # 输出结果是长度为10（对应0-9）的一维数据，最大值的下标就是预测的数字
        predictions.append(score)
    end_time = time.time()
    correct = 0
    for prediction, label in zip(predictions, labels):
        if prediction == label:
            correct += 1
    print((end_time - start_time))
    print(correct / len(labels))

最后测试结果如下表所示：

类型	模型大小	测试集精度	推理测试集10轮的时间
原始模型	242KB	97.39%	110.72
量化后的模型	67KB	97.34%	35.97

可以看到对LeNet量化后模型的大小变为原始模型的近1/4，并且精度几乎不降，且运行速度也有3-4倍加快。也说明了训练后量化的有效性。今天暂时就讲到这里了，我把源码放到github上了，地址见附录。

附录

• Tensorflow-Lite官方文档：https://tensorflow.google.cn/lite
• Tensorflow后量化官方实例：https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/d035a83459330c87bbc527e3d480b65f32841997/tensorflow/contrib/lite/tutorials/post_training_quant.ipynb
• 我的github地址：https://github.com/BBuf/model_quantization

---

欢迎关注我的微信公众号GiantPandaCV，期待和你一起交流机器学习，深度学习，图像算法，优化技术，比赛及日常生活等。