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Agrupamento de peso no exemplo Keras

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Visão geral

Bem-vindo ao exemplo de ponta a ponta para clustering de peso , parte do TensorFlow Model Optimization Toolkit.

Outras páginas

Para obter uma introdução ao que é clustering de peso e determinar se você deve usá-lo (incluindo o que é compatível), consulte a página de visão geral .

Para encontrar rapidamente as APIs de que você precisa para seu caso de uso (além de agrupar totalmente um modelo com 16 clusters), consulte o guia completo .

Conteúdo

No tutorial, você irá:

  1. Treine um modelo tf.keras para o conjunto de dados MNIST do zero.
  2. Ajuste o modelo aplicando a API de agrupamento de peso e veja a precisão.
  3. Crie modelos TF e TFLite 6x menores a partir do agrupamento.
  4. Crie um modelo TFLite 8x menor combinando agrupamento de peso e quantização pós-treinamento.
  5. Veja a persistência da precisão de TF a TFLite.

Configuração

Você pode executar este Jupyter Notebook em seu virtualenv local ou colab . Para obter detalhes sobre a configuração de dependências, consulte o guia de instalação .

 pip install -q tensorflow-model-optimization
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras

import numpy as np
import tempfile
import zipfile
import os

Treine um modelo tf.keras para MNIST sem clustering

# Load MNIST dataset
mnist = keras.datasets.mnist
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = mnist.load_data()

# Normalize the input image so that each pixel value is between 0 to 1.
train_images = train_images / 255.0
test_images  = test_images / 255.0

# Define the model architecture.
model = keras.Sequential([
    keras.layers.InputLayer(input_shape=(28, 28)),
    keras.layers.Reshape(target_shape=(28, 28, 1)),
    keras.layers.Conv2D(filters=12, kernel_size=(3, 3), activation=tf.nn.relu),
    keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)),
    keras.layers.Flatten(),
    keras.layers.Dense(10)
])

# Train the digit classification model
model.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])

model.fit(
    train_images,
    train_labels,
    validation_split=0.1,
    epochs=10
)
Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/mnist.npz
11493376/11490434 [==============================] - 0s 0us/step
Epoch 1/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.3008 - accuracy: 0.9148 - val_loss: 0.1216 - val_accuracy: 0.9687
Epoch 2/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.1221 - accuracy: 0.9651 - val_loss: 0.0861 - val_accuracy: 0.9758
Epoch 3/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0897 - accuracy: 0.9741 - val_loss: 0.0710 - val_accuracy: 0.9802
Epoch 4/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0727 - accuracy: 0.9787 - val_loss: 0.0719 - val_accuracy: 0.9803
Epoch 5/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0631 - accuracy: 0.9808 - val_loss: 0.0657 - val_accuracy: 0.9822
Epoch 6/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0554 - accuracy: 0.9833 - val_loss: 0.0601 - val_accuracy: 0.9820
Epoch 7/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0489 - accuracy: 0.9855 - val_loss: 0.0647 - val_accuracy: 0.9805
Epoch 8/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0442 - accuracy: 0.9869 - val_loss: 0.0575 - val_accuracy: 0.9845
Epoch 9/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0403 - accuracy: 0.9875 - val_loss: 0.0596 - val_accuracy: 0.9820
Epoch 10/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0362 - accuracy: 0.9888 - val_loss: 0.0588 - val_accuracy: 0.9833

<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7f0e6f780a58>

Avalie o modelo de linha de base e salve-o para uso posterior

_, baseline_model_accuracy = model.evaluate(
    test_images, test_labels, verbose=0)

print('Baseline test accuracy:', baseline_model_accuracy)

_, keras_file = tempfile.mkstemp('.h5')
print('Saving model to: ', keras_file)
tf.keras.models.save_model(model, keras_file, include_optimizer=False)
Baseline test accuracy: 0.9785000085830688
Saving model to:  /tmp/tmpjo5b6jen.h5

Ajuste o modelo pré-treinado com clustering

Aplique a API cluster_weights() a um modelo pré-treinado inteiro para demonstrar sua eficácia na redução do tamanho do modelo após aplicar zip, mantendo uma precisão decente. Para saber como equilibrar melhor a precisão e a taxa de compressão para o seu caso de uso, consulte o exemplo por camada no guia completo .

Defina o modelo e aplique a API de clustering

Antes de passar o modelo para a API de clustering, certifique-se de que ele seja treinado e mostre alguma precisão aceitável.

import tensorflow_model_optimization as tfmot

cluster_weights = tfmot.clustering.keras.cluster_weights
CentroidInitialization = tfmot.clustering.keras.CentroidInitialization

clustering_params = {
  'number_of_clusters': 16,
  'cluster_centroids_init': CentroidInitialization.LINEAR
}

# Cluster a whole model
clustered_model = cluster_weights(model, **clustering_params)

# Use smaller learning rate for fine-tuning clustered model
opt = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-5)

clustered_model.compile(
  loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
  optimizer=opt,
  metrics=['accuracy'])

clustered_model.summary()
Model: "sequential"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
cluster_reshape (ClusterWeig (None, 28, 28, 1)         0         
_________________________________________________________________
cluster_conv2d (ClusterWeigh (None, 26, 26, 12)        136       
_________________________________________________________________
cluster_max_pooling2d (Clust (None, 13, 13, 12)        0         
_________________________________________________________________
cluster_flatten (ClusterWeig (None, 2028)              0         
_________________________________________________________________
cluster_dense (ClusterWeight (None, 10)                20306     
=================================================================
Total params: 20,442
Trainable params: 54
Non-trainable params: 20,388
_________________________________________________________________

Ajuste o modelo e avalie a precisão em relação à linha de base

Ajuste o modelo com clustering para 1 época.

# Fine-tune model
clustered_model.fit(
  train_images,
  train_labels,
  batch_size=500,
  epochs=1,
  validation_split=0.1)
108/108 [==============================] - 2s 16ms/step - loss: 0.0453 - accuracy: 0.9851 - val_loss: 0.0699 - val_accuracy: 0.9802

<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7f0e543ffeb8>

Para este exemplo, há uma perda mínima na precisão do teste após o agrupamento, em comparação com a linha de base.

_, clustered_model_accuracy = clustered_model.evaluate(
  test_images, test_labels, verbose=0)

print('Baseline test accuracy:', baseline_model_accuracy)
print('Clustered test accuracy:', clustered_model_accuracy)
Baseline test accuracy: 0.9785000085830688
Clustered test accuracy: 0.9746000170707703

Crie modelos 6x menores de cluster

O strip_clustering e a aplicação de um algoritmo de compactação padrão (por exemplo, via gzip) são necessários para ver os benefícios de compactação do clustering.

Primeiro, crie um modelo compactável para TensorFlow. Aqui, strip_clustering remove todas as variáveis ​​(por exemplo, tf.Variable para armazenar os centróides do cluster e os índices) que o clustering precisa apenas durante o treinamento, que de outra forma aumentaria o tamanho do modelo durante a inferência.

final_model = tfmot.clustering.keras.strip_clustering(clustered_model)

_, clustered_keras_file = tempfile.mkstemp('.h5')
print('Saving clustered model to: ', clustered_keras_file)
tf.keras.models.save_model(final_model, clustered_keras_file, 
                           include_optimizer=False)
Saving clustered model to:  /tmp/tmpo83fpb0m.h5

Em seguida, crie modelos compactáveis ​​para TFLite. Você pode converter o modelo em cluster em um formato que possa ser executado no back-end de destino. TensorFlow Lite é um exemplo que você pode usar para implantar em dispositivos móveis.

clustered_tflite_file = '/tmp/clustered_mnist.tflite'
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(final_model)
tflite_clustered_model = converter.convert()
with open(clustered_tflite_file, 'wb') as f:
  f.write(tflite_clustered_model)
print('Saved clustered TFLite model to:', clustered_tflite_file)
WARNING:tensorflow:From /tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.6/site-packages/tensorflow/python/training/tracking/tracking.py:111: Model.state_updates (from tensorflow.python.keras.engine.training) is deprecated and will be removed in a future version.
Instructions for updating:
This property should not be used in TensorFlow 2.0, as updates are applied automatically.
WARNING:tensorflow:From /tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.6/site-packages/tensorflow/python/training/tracking/tracking.py:111: Layer.updates (from tensorflow.python.keras.engine.base_layer) is deprecated and will be removed in a future version.
Instructions for updating:
This property should not be used in TensorFlow 2.0, as updates are applied automatically.
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmp4gcxcvlh/assets
Saved clustered TFLite model to: /tmp/clustered_mnist.tflite

Defina uma função auxiliar para realmente compactar os modelos via gzip e medir o tamanho compactado.

def get_gzipped_model_size(file):
  # It returns the size of the gzipped model in bytes.
  import os
  import zipfile

  _, zipped_file = tempfile.mkstemp('.zip')
  with zipfile.ZipFile(zipped_file, 'w', compression=zipfile.ZIP_DEFLATED) as f:
    f.write(file)

  return os.path.getsize(zipped_file)

Compare e veja que os modelos são 6x menores do cluster

print("Size of gzipped baseline Keras model: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(keras_file)))
print("Size of gzipped clustered Keras model: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(clustered_keras_file)))
print("Size of gzipped clustered TFlite model: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(clustered_tflite_file)))
Size of gzipped baseline Keras model: 78047.00 bytes
Size of gzipped clustered Keras model: 12524.00 bytes
Size of gzipped clustered TFlite model: 12141.00 bytes

Crie um modelo TFLite 8x menor combinando agrupamento de peso e quantização pós-treinamento

Você pode aplicar a quantização pós-treinamento ao modelo em cluster para obter benefícios adicionais.

converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(final_model)
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
tflite_quant_model = converter.convert()

_, quantized_and_clustered_tflite_file = tempfile.mkstemp('.tflite')

with open(quantized_and_clustered_tflite_file, 'wb') as f:
  f.write(tflite_quant_model)

print('Saved quantized and clustered TFLite model to:', quantized_and_clustered_tflite_file)
print("Size of gzipped baseline Keras model: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(keras_file)))
print("Size of gzipped clustered and quantized TFlite model: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(quantized_and_clustered_tflite_file)))
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmpt2flzp4s/assets

INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmpt2flzp4s/assets

Saved quantized and clustered TFLite model to: /tmp/tmpgu3loy72.tflite
Size of gzipped baseline Keras model: 78047.00 bytes
Size of gzipped clustered and quantized TFlite model: 9240.00 bytes

Veja a persistência de precisão de TF para TFLite

Defina uma função auxiliar para avaliar o modelo TFLite no conjunto de dados de teste.

def eval_model(interpreter):
  input_index = interpreter.get_input_details()[0]["index"]
  output_index = interpreter.get_output_details()[0]["index"]

  # Run predictions on every image in the "test" dataset.
  prediction_digits = []
  for i, test_image in enumerate(test_images):
    if i % 1000 == 0:
      print('Evaluated on {n} results so far.'.format(n=i))
    # Pre-processing: add batch dimension and convert to float32 to match with
    # the model's input data format.
    test_image = np.expand_dims(test_image, axis=0).astype(np.float32)
    interpreter.set_tensor(input_index, test_image)

    # Run inference.
    interpreter.invoke()

    # Post-processing: remove batch dimension and find the digit with highest
    # probability.
    output = interpreter.tensor(output_index)
    digit = np.argmax(output()[0])
    prediction_digits.append(digit)

  print('\n')
  # Compare prediction results with ground truth labels to calculate accuracy.
  prediction_digits = np.array(prediction_digits)
  accuracy = (prediction_digits == test_labels).mean()
  return accuracy

Você avalia o modelo, que foi agrupado e quantizado, e então vê que a precisão do TensorFlow persiste no back-end TFLite.

interpreter = tf.lite.Interpreter(model_content=tflite_quant_model)
interpreter.allocate_tensors()

test_accuracy = eval_model(interpreter)

print('Clustered and quantized TFLite test_accuracy:', test_accuracy)
print('Clustered TF test accuracy:', clustered_model_accuracy)
Evaluated on 0 results so far.
Evaluated on 1000 results so far.
Evaluated on 2000 results so far.
Evaluated on 3000 results so far.
Evaluated on 4000 results so far.
Evaluated on 5000 results so far.
Evaluated on 6000 results so far.
Evaluated on 7000 results so far.
Evaluated on 8000 results so far.
Evaluated on 9000 results so far.


Clustered and quantized TFLite test_accuracy: 0.9746
Clustered TF test accuracy: 0.9746000170707703

Conclusão

Neste tutorial, você viu como criar modelos em cluster com a API TensorFlow Model Optimization Toolkit. Mais especificamente, você passou por um exemplo de ponta a ponta para criar um modelo 8x menor para MNIST com diferença mínima de precisão. Recomendamos que você experimente esse novo recurso, que pode ser particularmente importante para implantação em ambientes com recursos limitados.