CNN模型压缩与加速算法综述

前言

自从AlexNet一举夺得ILSVRC 2012 ImageNet图像分类竞赛的冠军后，卷积神经网络（CNN）的热潮便席卷了整个计算机视觉领域。CNN模型火速替代了传统人工设计（hand-crafted）特征和分类器，不仅提供了一种端到端的处理方法，还大幅度地刷新了各个图像竞赛任务的精度，更甚者超越了人眼的精度（LFW人脸识别任务）。CNN模型在不断逼近计算机视觉任务的精度极限的同时，其深度和尺寸也在成倍增长。

表1 几种经典模型的尺寸，计算量和参数数量对比

随之而来的是一个很尴尬的场景：如此巨大的模型只能在有限的平台下使用，根本无法移植到移动端和嵌入式芯片当中。就算想通过网络传输，但较高的带宽占用也让很多用户望而生畏。另一方面，大尺寸的模型也对设备功耗和运行速度带来了巨大的挑战。因此这样的模型距离实用还有一段距离。

在这样的情形下，模型小型化与加速成了亟待解决的问题。其实早期就有学者提出了一系列CNN模型压缩方法，包括权值剪值（prunning）和矩阵SVD分解等，但压缩率和效率还远不能令人满意。

近年来，关于模型小型化的算法从压缩角度上可以大致分为两类：从模型权重数值角度压缩和从网络架构角度压缩。另一方面，从兼顾计算速度方面，又可以划分为：仅压缩尺寸和压缩尺寸的同时提升速度。

本文主要讨论如下几篇代表性的文章和方法，包括SqueezeNet^[5]、DeepCompression^[6]、XNorNet^[7]、Distilling^[8]、MobileNet^[9]和ShuffleNet^[10]，也可按照上述方法进行大致分类：

表2 几种经典压缩方法及对比

一、SqueezeNet

1.1 设计思想

SqueezeNet是F. N. Iandola,S.Han等人于2016年的论文《SqueezeNet: AlexNet-level accuracy with 50xfewer parameters and <0.5MB model size》中提出的一个小型化的网络模型结构，该网络能在保证不损失精度的同时，将原始AlexNet压缩至原来的510倍左右（<0.5MB）。

SqueezeNet的核心指导思想是——在保证精度的同时使用最少的参数。

而这也是所有模型压缩方法的一个终极目标。

基于这个思想，SqueezeNet提出了3点网络结构设计策略：

策略 1.将3x3卷积核替换为1x1卷积核。

这一策略很好理解，因为1个1x1卷积核的参数是3x3卷积核参数的1/9，这一改动理论上可以将模型尺寸压缩9倍。

策略 2.减小输入到3x3卷积核的输入通道数。

我们知道，对于一个采用3x3卷积核的卷积层，该层所有卷积参数的数量（不考虑偏置）为：

式中，N是卷积核的数量，也即输出通道数，C是输入通道数。

因此，为了保证减小网络参数，不仅仅需要减少3x3卷积核的数量，还需减少输入到3x3卷积核的输入通道数量，即式中C的数量。

策略 3.尽可能的将降采样放在网络后面的层中。

在卷积神经网络中，每层输出的特征图（feature map）是否下采样是由卷积层的步长或者池化层决定的。而一个重要的观点是：分辨率越大的特征图（延迟降采样）可以带来更高的分类精度，而这一观点从直觉上也可以很好理解，因为分辨率越大的输入能够提供的信息就越多。

上述三个策略中，前两个策略都是针对如何降低参数数量而设计的，最后一个旨在最大化网络精度。

1.2 网络架构

基于以上三个策略，作者提出了一个类似inception的网络单元结构，取名为fire module。一个fire module 包含一个squeeze 卷积层（只包含1x1卷积核）和一个expand卷积层（包含1x1和3x3卷积核）。其中，squeeze层借鉴了inception的思想，利用1x1卷积核来降低输入到expand层中3x3卷积核的输入通道数。如图1所示。

                        图1 Fire module结构示意图[5]

其中，定义squeeze层中1x1卷积核的数量是s1x1，类似的，expand层中1x1卷积核的数量是e1x1, 3x3卷积核的数量是e3x3。令s1x1 < e1x1+ e3x3从而保证输入到3x3的输入通道数减小。SqueezeNet的网络结构由若干个fire module组成，另外文章还给出了一些架构设计上的细节：

·      为了保证1x1卷积核和3x3卷积核具有相同大小的输出，3x3卷积核采用1像素的zero-padding和步长

·      squeeze层和expand层均采用RELU作为激活函数

·      在fire9后采用50%的dropout

·      由于全连接层的参数数量巨大，因此借鉴NIN[11]的思想，去除了全连接层而改用global average pooling。 

1.3 实验结果

表3 不同压缩方法在ImageNet上的对比实验结果 [5]

上表显示，相比传统的压缩方法，SqueezeNet能在保证精度不损（甚至略有提升）的情况下，达到最大的压缩率，将原始AlexNet从240MB压缩至4.8MB，而结合Deep Compression后更能达到0.47MB，完全满足了移动端的部署和低带宽网络的传输。

此外，作者还借鉴ResNet思想，对原始网络结构做了修改，增加了旁路分支，将分类精度提升了约3%。

1.4 速度考量

尽管文章主要以压缩模型尺寸为目标，但毋庸置疑的一点是，SqueezeNet在网络结构中大量采用1x1和3x3卷积核是有利于速度的提升的，对于类似caffe这样的深度学习框架，在卷积层的前向计算中，采用1x1卷积核可避免额外的im2col操作，而直接利用gemm进行矩阵加速运算，因此对速度的优化是有一定的作用的。然而，这种提速的作用仍然是有限的，另外，SqueezeNet采用了9个fire module和两个卷积层，因此仍需要进行大量常规卷积操作，这也是影响速度进一步提升的瓶颈。

二、DeepCompression

Deep Compression出自S.Han 2016 ICLR的一篇论文《Deep Compression: Compressing Deep NeuralNetworks with Pruning, Trained Quantization and Huffman Coding》。该文章获得了ICLR 2016的最佳论文奖，同时也具有里程碑式的意义，引领了CNN模型小型化与加速研究方向的新狂潮，使得这一领域近两年来涌现出了大量的优秀工作与文章。

2.1 算法流程

与前面的“架构压缩派”的SqueezeNet不同，Deep Compression是属于“权值压缩派”的。而两篇文章均出自S.Han团队，因此两种方法结合，双剑合璧，更是能达到登峰造极的压缩效果。这一实验结果也在上表中得到验证。

Deep Compression的算法流程包含三步，如图2所示：

图2 Deep Compression Pipeline^[6]

1)        Pruning(权值剪枝)

剪枝的思想其实早已在早期论文中可以窥见，LeCun等人曾经就利用剪枝来稀疏网络，减小过拟合的风险，提升网络泛化性。

图3是MNIST上训练得到的LeNet conv1卷积层中的参数分布，可以看出，大部分权值集中在0处附近，对网络的贡献较小，在剪值中，将0值附近的较小的权值置0，使这些权值不被激活，从而着重训练剩下的非零权值，最终在保证网络精度不变的情况下达到压缩尺寸的目的。

实验发现模型对剪枝更敏感，因此在剪值时建议逐层迭代修剪，另外每层的剪枝比例如何自动选取仍然是一个值得深入研究的课题。

图3 LeNet conv1层权值分布图

2)        Quantization(权值量化)

此处的权值量化基于权值聚类，将连续分布的权值离散化，从而减小需要存储的权值数量。

·      初始化聚类中心，实验证明线性初始化效果最好；

·      利用k-means算法进行聚类，将权值划分到不同的cluster中；

·      在前向计算时，每个权值由其聚类中心表示；

·      在后向计算时，统计每个cluster中的梯度和将其反传。

图4 权值量化前向和后向计算过程^[6]        

3)        Huffmanencoding(霍夫曼编码)

霍夫曼编码采用变长编码将平均编码长度减小，进一步压缩模型尺寸。

2.2 模型存储

前述的剪枝和量化都是为了实现模型的更紧致的压缩，以实现减小模型尺寸的目的。

·      对于剪枝后的模型，由于每层大量参数为0，后续只需将非零值及其下标进行存储，文章中采用CSR（CompressedSparse Row）来进行存储，这一步可以实现9x~13x的压缩率。

·      对于量化后的模型，每个权值都由其聚类中心表示（对于卷积层，聚类中心设为256个，对于全连接层，聚类中心设为32个），因此可以构造对应的码书和下标，大大减少了需要存储的数据量，此步能实现约3x的压缩率。

·      最后对上述压缩后的模型进一步采用变长霍夫曼编码，实现约1x的压缩率。

2.3 实验结果

表4 不同网络采用Deep Compression后的压缩率^[6]

通过SqueezeNet+Deep Compression,可以将原始240M的AlexNet压缩至0.47M，实现约510x的压缩率。

2.4 速度考量

可以看出，Deep Compression的主要设计是针对网络存储尺寸的压缩，但在前向时，如果将存储模型读入展开后，并没有带来更大的速度提升。因此Song H.等人专门针对压缩后的模型设计了一套基于FPGA的硬件前向加速框架EIE^[12]，有兴趣的可以研究一下。

三、XNorNet

二值网络一直是模型压缩和加速领域经久不衰的研究课题之一。将原始32位浮点型的权值压缩到1比特，如何最大程度地减小性能损失就成为了研究的关键。

此篇论文主要有以下几个贡献：

·      提出了一个BWN（Binary-Weight-Network）和XNOR-Network，前者只对网络参数做二值化，带来约32x的存储压缩和2x的速度提升，而后者对网络输入和参数都做了二值化，在实现32x存储压缩的同时带了58x的速度提升；

·      提出了一个新型二值化权值的算法；

·      第一个在大规模数据集如ImageNet上提交二值化网络结果的工作；

·      无需预训练，可实现trainingfrom scratch。

3.1 BWN

为了训练二值化权值网络，

令，其中，即二值滤波器，是尺度因子。通过最小化目标函数，得到其最优解：

即最优的二值化滤波器张量B即为原始参数的符号函数，最优的尺度因子为每个滤波器权值的绝对值的均值。

训练算法如图5所示，值得注意的是，只有在前向计算和后向传播时使用二值化后的权值，在更新参数时依然使用原始参数，这是因为如果使用二值化后的参数会导致很小的梯度下降，从而使得训练无法收敛。

转自：微信AI

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