深度学习模型剪枝、量化和TensorRT推理

模型剪枝算法

参考文献：Rethinking the Value of Network Pruning (ICLR 2019)
github：https://github.com/Eric-mingjie/rethinking-network-pruning

Rethinking the Value of Network Pruning这篇文献主要介绍了以下几种剪枝算法，并在github上开源了代码，在ImageNet和cifar两个数据集上进行了测试，论文也验证了对比了对剪枝模型进行fine tune和根据剪枝后的网络结构从头训练网络的准确率，在作者提供的准确率中，一般情况下，对于分类网络，从头训练的准确率比剪枝后fine tune后的准确率高。

预定义网络结构剪枝

剪枝方法	参考文献	github	剪枝原理
L1-norm based Filter Pruning	Pruning Filters for Efficient ConvNets	l1-norm-pruning	在每一个卷积层，根据卷积核的权重值的L1 norm大小，修剪掉相应百分比的通道数。
ThiNet	ThiNet: A Filter Level Pruning Method for Deep Neural Network Compression	https://github.com/Roll920/ThiNet	剪枝时，不根据当前层进行剪枝，而是修剪去对下一卷积层激活值影响最小的权重值。
Regression based Feature Reconstruction	Channel Pruning for Accelerating Very Deep Neural Networks	https://github.com/yihui-he/channel-pruning	根据LASSO回归算法选出有代表性的卷积层通道，减枝去掉冗余通道，使用最小二乘法重建剩余通道。

自动网络结构剪枝

剪枝方法	参考文献	github	剪枝原理
Network Slimming	(1) Learning Efficient Convolutional Networks through Network Slimming (2) SlimYOLOv3: Narrower, Faster and Better for Real-Time UAV Applications	(1) network-slimming (2) https://github.com/PengyiZhang/SlimYOLOv3	在剪枝时，对BN层的gamma参数进行惩罚进行稀疏训练，剪枝时选择稀疏训练后BN层gamma值较大的参数进行保留
Sparse Structure Selection	Data-Driven Sparse Structure Selection for Deep Neural Networks	https://github.com/TuSimple/sparse-structure-selection	除了对通道进行稀疏训练，还可以对残差模块进行稀疏训练。

稀疏训练代码

def updateBN():
    for m in model.modules():
        if isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
            m.weight.grad.data.add_(args.s*torch.sign(m.weight.data))

注意：剪枝时对残差模块通道的剪枝策略需要考虑，方案有不剪枝(减去的参数较少)或者根据残差模块的某一层进行剪枝，也有对所有残差通道的mask进行或运算。剪枝后的效果如下图所示，在剪枝时必须保证shortcut连接的两个卷积层通道数相等。
使用network slimming算法时，每个卷积层都必须剩下至少1个通道。

TensorRT int8量化算法

参考连接：8-bit Inference with TensorRT

量化概述

目标：将fp32的卷积神经网络转换为int8而不会造成明显的精度损失；
原因：int8方法具有更高的吞吐量和更低的内存需求；
挑战：int8的精度和动态范围明显低于fp32；

	动态范围	最小精度
fp32	-3.4 x 10³⁸ ~ +3.4 x 10³⁸	1.4 x 10^-45
fp16	-65504 ~ +65504	5.96 x 10^-8
int8	-128 ~ +127	1

解决方案：在将训练的模型权重量化为int8时以及在int8计算激活时，最大限度地减少信息损失；
结果：在TensorRT中实现了int8方法，并且不需要任何额外的fine tune或重训练。
问题：
为什么要量化而不使用int8直接训练？
模型训练是需要反向传播和梯度下降的，训练时的超参一般都是浮点型，如学习率等，int8类型无法进行训练。

线性量化

公式：
Tensor Values = fp32 scale factor * int8 array

根据量化公式仅需求fp32 scale factor即可进行int8量化，那么如何求fp32 scale factor？
在这里插入图片描述

从上图中可以看出，有两种int8量化方法，一种是非饱和映射（左），另一种是饱和映射（右）。经过验证，非饱和映射会造成严重的准确率损失，原因是由于卷积层计算的正负分布很不均匀，如果按照对称非饱和映射（原意是为了尽可能多地保留原信息）的话，那么+max那边有一块区域就浪费了，也就是说scale到int8后，int8的动态范围就更小了，举个极限的例子就是量化后正的样本没有，负的全部扎堆在一个很小的值附近，这样会造成严重的精度损失。饱和映射方法是先找一个阈值T，将低于最低阈值的值全部都饱和映射到-127上，如右上图的左边的三个红色的点。

如何选择量化阈值？

1. 标定步骤：

在标定数据集上进行fp32推理。
对每一个卷积层：
- 收集激活的直方图；
- 生成具有不同饱和阈值的量化分布；
- 选择使KL发散最小化的阈值。
一般来说，整个标定过程需要几分钟的时间

2. 标定数据集选择：

有代表性
多样化
理想情况下是验证数据集的子集
1000+样例

深度学习模型转TensorRT

【1】深度学习模型PyTorch训练并转ONNX与TensorRT部署
【2】 darknet YOLOv4模型转ONNX转TensorRT部署
【3】 yolov5 PyTorch模型转TensorRT
【4】 CenterFace模型转TensorRT
【5】 RetinaFace MXNet模型转ONNX转TensorRT