模型轻量化操作——剪枝

1. 剪枝基本概念

1.1 什么是剪枝 Network Pruning

删除权重小于一定阈值的连接或者神经元节点得到更加稀疏的网络

1.2 剪枝的不同粒度

• 从单个神经元和连接到整个网络层
  • 非结构化剪枝(需要特殊硬件支持) 权重级别(Fine-gained) sparsity 0-D
  • 向量级别(介于二者之间) Sparsity 1-D
  • 结构化剪枝(卷积核Kernel 特征图Featuremap) (不需要特殊硬件支持) 卷积核级别 Sparsity 2-D | 通道级别 Sparsity 3-D

1.3 模型剪枝

• Dropout 类似结构化剪枝 剪去神经元
• DropConnect 类似非结构化剪枝 (剪去连接)

只是训练的时候用一下，测试的时候不会用的，所以不是剪枝的方法

1.3.2 权重的冗余性

我们之所以能够对模型进行剪枝，本质上还是网络中的一些参数是冗余的，我们删除一些并不会对网络造成很大的影响，所以才可以去剪枝。

卷积核滤波器的冗余性

[1] Shang W, Sohn K, Almeida D, et al. Understanding and improving convolutional neural networks via concatenated rectified linear units[C]//international conference on machine learning. PMLR, 2016: 2217-2225.

卷积核存在相位互补性，需要同时学习两个线性相关的变换(CReLU)

不同层的统计特性

假设卷积核为$\varphi$，我们在神经网络中的任一层任取一个卷积核${\varphi }_j$，假设可以求一个${\varphi }_i$，使得其内积最小(方向相反)，那么此时就得到一个新的向量:
$$\overline{{\varphi }_i}=\underset{{\varphi }_j}{\mathrm{argmin}}<{\varphi }_i,{\varphi }_j>$$

理想状态下，$\overline{{\varphi }_i}$ 其实是和${\varphi }_j$相反的向量，此时我们在该神经网络层中除了${\varphi }_j$外剩下的卷积核中找一个与$\overline{{\varphi }_i}$相似度最小的${\varphi }_i$，做内积
$${\mu }_i^{\varphi }=<{\varphi }_i,\overline{{\varphi }_i}>$$

画出${\mu }_i^{\varphi }$分布的直方图

我们假设每一个${\varphi }_i$都能找到一个和它计算相似度越小并且非常接近于-1的值，那么µ的峰值应该越接近于-1(距离0值越远)。如果越找不到该值，它应该越接近于0。从上图可以看出，越是网络浅层，统计相似度越低，表明越有相位互补性；相反越往深层，越难找到和${\varphi }_i$相位相反的滤波器。

越是网络浅层，统计相似度越低，表明越有相位互补性

concatenated ReLU (CReLU)

$$CReLU(x)=concat(ReLU(x),-ReLU(x))$$

• 错误率降低, 也有可能是通道数提高了呀?

2. 非结构化剪枝

2.1 基本方法

• 根据连接的重要性判断是否裁剪掉连接
  • 1.神经元重要性判别
  • 2.去除神经元
  • 3.微调
  • 4.继续剪枝(判断是否回到1)
    
    重要性程度就是其 L1或者L2 范数

[1] Han S, Pool J, Tran J, et al. Learning both weights and connections for efficient neural network[J]. Advances in neural information processing systems, 2015, 28.

来看这片文章的例子：

AlexNet 为例，右图是剪去的参数和保留的参数的对比，可以看到剪枝剪去的主要是全连接层的参数

卷积层与全连接层敏感性

越往右上角越不敏感，全连接层冗余性更大

是否微调，L1/L2范数对比

剪枝后微调很重要，绿线和紫线对比
L1/L2 都可做重要性因子，黄线和绿线基本重合

剪枝前后的参数分布

可以这样理解? 峰值变多，多样性变多

2.2 恢复权重法

对有些样本不重要，但是对另一些样本很重要(错误剪去一些连接从而导致模型的性能无法恢复)

[1] Guo Y, Yao A, Chen Y. Dynamic network surgery for efficient dnns[J]. Advances in neural information processing systems, 2016, 29.

和之前一样，先进行剪枝，之后再恢复(图三中的绿色箭头)，对模型性能弥补有效

实现细节

• 实现一个掩膜矩阵$T$，与权重矩阵大小相等

$$h_k(W_j^{(i,j)})=\{\begin{array}{ccc}0& if{a}_k>|W_j^{(i,j)}|& \\ T_k^{(i,j)}& others& \\ 1& if{b}_k<|W_j^{(i,j)}|& \end{array}$$

每一个元素表示是否减掉对应连接，当等于1表示保留，等于0表示剪枝，掩码为0的部分不参与损失计算，但是参数值仍然需要更新

(问：不收敛怎么办)

基本方案对比( AlexNet 模型)

基本方法：4800K次迭代，9倍压缩率
本方法：700K次迭代，17倍压缩率，训练更快

3. 结构化剪枝（幅度）

3.1 基于权重大小的通道裁剪

基于权重的范数剪掉卷积核

[1] Li H, Kadav A, Durdanovic I, et al. Pruning filters for efficient convnets[J]. arXiv preprint arXiv:1608.08710, 2016.ICLR2017

计算卷积核的绝对值和，进行排序，剪掉和最小的kernel以及对应的特征图
$X_i$, $X_{i+1}$和$X_{i+2}$ 都是特征图
Kernel matrix 的共有$n_i\ast n_{i+1}$个元素，每个元素是一个卷积核，$X_i$通道数是$n_i$，$X_{i+1}$通道数是$n_{i+1}$

同时裁剪多个卷积核与通道

重叠部分分别考虑即可

裁剪残差模块的通道，对应裁剪相同序号的恒等映射模块儿通道

实验结果

(b) 针对不同层的影响不同，比如最右边深蓝色虚线，剪枝到80%，依旧下降很少
© 剪枝之后retrain之后，部分层性能可以恢复，但是入黑色实线，性能无法恢复

最小幅度裁剪，随机幅度裁剪，最大幅度裁剪的不同

随机幅度裁剪与最小幅度裁剪效果相差不大，可以看出卷积核参数的冗余性

与特征图激活值裁剪方法比较

• (a) 本文 与 © 效果类似
• (b) 效果比较差
  
  L1 / L2 范数比较（与非结构化剪枝的结果差不多）
  

3.2 基于激活值的方法

基于激活的稀疏性，统计每一层的激活值为0的比例
Activated Percent of Zero

[1] Hu H, Peng R, Tai Y W, et al. Network trimming: A data-driven neuron pruning approach towards efficient deep architectures[J]. arXiv preprint arXiv:1607.03250, 2016.

$$Apo{Z}_c^{(i)}=APoZ(O_c^{(i)})=\frac{{\sum }_k^N{\sum }_j^{M}f(O_{c,j}^{(i)}=0)}{N\times M}$$

$i$表示层，$c$表示通道，$N$表示用于统计的样本数，$M$表示输出空间维度(xy合起来)

在VGG16中，越到网络深层，有更大的冗余和更多的裁剪空间

裁剪流程与非结构化剪枝的流程一样，不同的是，这里不是裁一个神经元，而是裁整个通道

LeNet结果：微调时初始化权重很重要

VGG实验结果

单层裁剪结果：在不微调的情况下，即使裁剪了很多，模型效果也没有明显下降，证明了模型确实存在冗余现象

每个通道都可以建立一个 APoZ 值，说明APoZ变小了

APoZ 用来判断参数的有效性

VGG多层裁剪结果

裁剪后效果下降很多，需要多次迭代来恢复到原来的效果
CONV45-FC67-trim-3 的意思是裁剪 CONV4 | CONV5 | FC6 | FC7 这几个层

4. 结构化剪枝（稀疏权重篇）

• 正则化与稀疏约束
• 稀疏约束框架

4.1 正则化与稀疏约束

正则化，权重衰减(其实就是L1/L2的范数惩罚)

$$\begin{gathered} \tilde{J}(\omega ;X,y)=J(\omega ;X,y)+\frac{\alpha }{2}||\omega |{|}_2 \\ \tilde{J}(\omega ;X,y)=J(\omega ;X,y)+\alpha ||\omega |{|}_1 \end{gathered}$$

L1约束相对于L2约束能够产生更加稀疏的模型，使得$\omega$其中一些参数会变成0，也就是LASSO问题，常用于同时选择和缩减参数，可以用来模型剪枝

利用这个思想，再加一项，也就是 SSL

• Structured Sparsity Learning(简称SSL)
  $$E(W)=E_D(W)+\lambda R(W)+{\lambda }_g\sum _L^{l=1}{R}_g(W^{(l)})$$

• $E_D(W)$ 是正常的损失项

• $R(W)$ 是非结构化正则项

• $R_g(W^{(l)})$ 是每一层的结构化正则项

$R_g(W^{(l)})={\sum }_{g=1}^G||W^{(g)}|{|}_g$ 一组$W$, Group Lasso

[1] Wen W, Wu C, Wang Y, et al. Learning structured sparsity in deep neural networks[J]. Advances in neural information processing systems, 2016, 29.

• 细粒度与粗粒度的稀疏化

Filter-wise(输出通道) 与 Channel-wise(输入通道)级别的稀疏化同时进行

$$\sum _L^{l=1}\left(\sum _{n_l=1}^{N_l}||W_{n_l,:,:,:}^{(l)}||\right)+\sum _L^{l=1}\left(\sum _{c_l=1}^{C_l}||W_{:,c_l,:,:}^{(l)}||\right)$$

• $N_l$ 表示输出通道数，每一组对应当前层某一个输出通道的所有相关卷积核
• $C_l$ 表示输入通道数，每一组对应若干卷积核，用于对输入的所有通道进行卷积，产生一个通道的输出结果
• 以上两者会相互耦合

所以最终的优化目标：

$$E(W)=E_D(W)+{\lambda }_n\sum _L^{l=1}\left(\sum _{n_l=1}^{N_l}||W_{n_l,:,:,:}^{(l)}||\right)+{\lambda }_c\sum _L^{l=1}\left(\sum _{c_l=1}^{C_l}||W_{:,c_l,:,:}^{(l)}||\right)$$

The optimization target of learning shapes of filers becomes:

$$E(W)=E_D(W)+{\lambda }_s\sum _{l=1}^L\left(\sum _{c_l=1}^{C_l}\sum _{m_l=1}^{M_l}\sum _{k_l=1}^{K_l}||W_{:,c_l,m_l,k_l}^{(l)}||\right)$$

错误率比较：

剪枝后的卷积核可视化

MLP的稀疏化结果

AlexNet 稀疏化结果

会将卷积运算操作改为 GEneral Matrix Multiplication(GEMM)，而 row-wise 和 column-wise 分别是卷积核和特征图

前两行是训练稀疏模型
第三行是剪枝
后两行是稀疏剪枝后再训练的结果

是一个基于学习的模型剪枝策略，其实并没有剪枝? 只是让一部分参数为0?

4. 结构化剪枝（稀疏因子篇）

• 基于BN缩放因子的方法
• 基于输出缩放因子的方法

4.1 基于BN缩放因子的稀疏性

Liu Z, Li J, Shen Z, et al. Learning efficient convolutional networks through network slimming[C]//Proceedings of the IEEE international conference on computer vision. 2017: 2736-2744.

Network Slimming，基于BN中的缩放因子$\gamma$来对不重要的通道进行裁剪

不要求每个通道中的元素都有一个较小的激活值，约束更弱

优化目标：
$$L=\sum _{(x,y)}\mathbf{l}(f(x,W),y)+\lambda \sum _{\gamma \in \Gamma }g(\gamma )$$

其中$\gamma$是BN中的$\gamma$:
$$\hat{z}=\frac{z_{in}-{\mu }_B}{\sqrt{{\sigma }_B^2+ϵ}};z_{out}=\gamma \hat{z}+\beta$$

不同模型的裁剪结果

VGGNet中 $\gamma =10^{-4}$
DenseNet | ResNet 中 $\gamma =10^{-5}$

剪枝后前后参数对比

不同比例裁剪稀疏下的精度变换(DenseNet40, CIFAR10, $\lambda =10^{-5}$)

• 蓝色线是在红色线的基础上进行裁剪的，可以看到裁剪后retrain，可以有更大的裁剪比例
• 存在明显的阈值，低于该阈值裁剪影响不大，但是高于该阈值也无法恢复性能
• Trained with Sparsity 是啥?

不同稀疏权重下的尺度系数分布与变化趋势(VGGNet)

纵轴是 Scaling factor value 也就是 $\gamma$，显然，惩罚项系数$\lambda$越大，最终的$\gamma$越小

第11层，训练过程中尺度的变换，越亮值越大

4.2 基于输出缩放因子的方法

比上一个方法更加通用，可以用到多种模型中

• Sparse Structure Selection，约束输出稀疏(可应用于通道，分组，残差块) 简称SSS

Huang Z, Wang N. Data-driven sparse structure selection for deep neural networks[C]//Proceedings of the European conference on computer vision (ECCV). 2018: 304-320.

每一个 $F_i$都有一个系数${\lambda }_i$，优化目标：
$$\underset{w,\lambda }{\min }\frac{1}{N}\sum _{i=1}^{N}L\left(y_i,C\left(x_i,w,\lambda \right)\right)+R(w)+R_s(\lambda )$$

$$R_s(\lambda )=\gamma ||\lambda |{|}_1$$

实验结果:

VGG（基于通道）

SSS == Sparse Structure Selection

ResNet（基于残差块）

还需要修改训练模型，添加可学习参数，感觉不是很好用

向图片左下角表示更好

与SSL对比：SSS 不需要 finetune？

4. 结构化剪枝（重建篇）

• 基本方法
• 通道选择方法改进

Channel Pruning 框架

He Y, Zhang X, Sun J. Channel pruning for accelerating very deep neural networks[C]//Proceedings of the IEEE international conference on computer vision. 2017: 1389-1397.

• 直接裁剪输入通道B，维持输出通道C的精度不损失

根据输入特征图各种通道对输出贡献的大小来进行裁剪

通道从$c$剪枝到$c^{\prime }$，剪枝之后，输出特征图$Y$的信息能够维持

$$\arg \underset{\beta ,W}{\min }\frac{1}{N}||Y-\sum _{i=1}^c||{\beta }_i{X}_i{W}_i^T|{|}_F^2+\lambda ||\beta |{|}_1$$
其中，
$$||\beta |{|}_0\le c^{\prime },\forall i||W_i|{|}_F=1$$

采集特征图$N\times c\times k_h\times k_w$
对应Kernel $n\times c\times k_h\times k_w$
得到$N\times n$的输出$Y$
$N$表示样本，$n$表示输出通道数，$X$维度$N\times k_h{k}_w$，$W$维度$n\times k_h{k}_w$

通道选择改进

之前基于通道重建误差，没有考虑模型语义信息，没有考虑到真正对任务的影响，只是考虑了数值上的重建误差

通过在模型中间增加分支来辅助模型训练

Zhuang Z, Tan M, Zhuang B, et al. Discrimination-aware channel pruning for deep neural networks[J]. Advances in neural information processing systems, 2018, 31.

分P段进行剪枝，在各个阶段添加分支损失
首先是特征图重建loss $L_M$，辅助分类loss $L_S^P$，和最终的分类loss $L_f$

• 用$L_S^P$和$L_f$来进行微调 fine-tune
• 用$L_S^P$ 和 $L_M$来进行通道选择

那如何进行通道选择呢

将损失对每一个通道的梯度值作为重要性因子，逐渐将通道添加到集合$A$（$A^c$表示补集），更新权重，直到满足终止条件

$$\underset{W}{\min }L(W),s.t.W_{A^c}=0$$

$$W_A<=W_A-\gamma \frac{\partial L}{\partial W_A}$$

终止条件是：

$$|L(W^{t-1})-L(W^t)|/L(W^0)\le ϵ$$

不同剪枝率与损失权重

• $\eta$是剪枝率，剪枝剪到一个适当的比例，错误率可以下降，参数也可以减少
• 右表是 $L(W)=L_M(W)+\lambda L_S^p(W)$，$\lambda$取不同值时的效果，只有$L_M$时是只有重建损失

$ϵ$不同——不同的终止原则

越严格的条件，需要越多的通道数，有更低的误差和更低的压缩比

最终再来个可视化

• (b) 是剪枝剪掉的通道
• © 是留下的通道，可以看到留下的通道响应值更明显