Sparsity and Cluster Preserving Quantization Aware Training (PCQAT) Keras-Beispiel

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Überblick

Dies ist ein Ende zum Beispiel der Verwendung des sparsity zeigt und Quantisierung bewusst Ausbildung (PCQAT) API, das Teil der TensorFlow Modell Optimierung Toolkit kollaborative Optimierung Pipeline - Cluster zu erhalten.

Andere Seiten

Eine Einführung in die Pipeline und andere verfügbare Techniken finden Sie in der kollaborativen Optimierungsübersichtsseite .

Inhalt

Im Tutorial werden Sie:

  1. Trainieren ein tf.keras Modell für die MNIST - Datensatz von Grund auf neu.
  2. Optimieren Sie das Modell mit Beschneiden und sehen Sie die Genauigkeit und beobachten Sie, dass das Modell erfolgreich beschnitten wurde.
  3. Wenden Sie Sparsity-erhaltendes Clustering auf das beschnittene Modell an und beobachten Sie, dass die zuvor angewendete Sparsity beibehalten wurde.
  4. Wenden Sie QAT an und beobachten Sie den Verlust von Sparsity und Clustern.
  5. Wenden Sie PCQAT an und beobachten Sie, dass sowohl Sparsity als auch Clustering, die zuvor angewendet wurden, beibehalten wurden.
  6. Generieren Sie ein TFLite-Modell und beobachten Sie die Auswirkungen der Anwendung von PCQAT darauf.
  7. Vergleichen Sie die Größen der verschiedenen Modelle, um die Komprimierungsvorteile der Anwendung von Sparsity zu beobachten, gefolgt von den kollaborativen Optimierungstechniken des Sparsity-erhaltenden Clusterings und PCQAT.
  8. Vergleichen Sie die Genauigkeit des vollständig optimierten Modells mit der nicht optimierten Basismodellgenauigkeit.

Aufstellen

Sie können diese Jupyter Notebook in Ihrem lokalen laufen virtualenv oder colab . Einzelheiten zu Abhängigkeiten einrichten, finden Sie in der Installationsanleitung .

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

import numpy as np
import tempfile
import zipfile
import os

Trainieren Sie ein tf.keras-Modell, damit MNIST beschnitten und geclustert wird

# Load MNIST dataset
mnist = tf.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

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

opt = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-3)

# Train the digit classification model
model.compile(optimizer=opt,
              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
11501568/11490434 [==============================] - 0s 0us/step
2021-09-02 11:14:14.164834: E tensorflow/stream_executor/cuda/cuda_driver.cc:271] failed call to cuInit: CUDA_ERROR_NO_DEVICE: no CUDA-capable device is detected
Epoch 1/10
1688/1688 [==============================] - 8s 5ms/step - loss: 0.2842 - accuracy: 0.9215 - val_loss: 0.1078 - val_accuracy: 0.9713
Epoch 2/10
1688/1688 [==============================] - 8s 5ms/step - loss: 0.1110 - accuracy: 0.9684 - val_loss: 0.0773 - val_accuracy: 0.9783
Epoch 3/10
1688/1688 [==============================] - 8s 4ms/step - loss: 0.0821 - accuracy: 0.9760 - val_loss: 0.0676 - val_accuracy: 0.9803
Epoch 4/10
1688/1688 [==============================] - 8s 4ms/step - loss: 0.0684 - accuracy: 0.9799 - val_loss: 0.0600 - val_accuracy: 0.9825
Epoch 5/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0590 - accuracy: 0.9828 - val_loss: 0.0601 - val_accuracy: 0.9838
Epoch 6/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0522 - accuracy: 0.9845 - val_loss: 0.0599 - val_accuracy: 0.9835
Epoch 7/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0472 - accuracy: 0.9863 - val_loss: 0.0544 - val_accuracy: 0.9862
Epoch 8/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0422 - accuracy: 0.9868 - val_loss: 0.0579 - val_accuracy: 0.9848
Epoch 9/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0384 - accuracy: 0.9884 - val_loss: 0.0569 - val_accuracy: 0.9847
Epoch 10/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0347 - accuracy: 0.9892 - val_loss: 0.0559 - val_accuracy: 0.9840
<keras.callbacks.History at 0x7f6a8212c550>

Bewerten Sie das Basismodell und speichern Sie es zur späteren Verwendung

_, 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: 0.9811000227928162
Saving model to:  /tmp/tmprlekfdwb.h5

Beschneiden und verfeinern Sie das Modell auf 50% Sparsity

Anwenden der prune_low_magnitude() API die beschnittenen Modell zu erreichen , die im nächsten Schritt geclustert werden soll. Beachten Sie die Beschneidung umfassenden Leitfaden für weitere Informationen über die Beschneidung API.

Definieren Sie das Modell und wenden Sie die Sparsity-API an

Beachten Sie, dass das vortrainierte Modell verwendet wird.

import tensorflow_model_optimization as tfmot

prune_low_magnitude = tfmot.sparsity.keras.prune_low_magnitude

pruning_params = {
      'pruning_schedule': tfmot.sparsity.keras.ConstantSparsity(0.5, begin_step=0, frequency=100)
  }

callbacks = [
  tfmot.sparsity.keras.UpdatePruningStep()
]

pruned_model = prune_low_magnitude(model, **pruning_params)

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

pruned_model.compile(
  loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
  optimizer=opt,
  metrics=['accuracy'])
/tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/keras/engine/base_layer.py:2223: UserWarning: `layer.add_variable` is deprecated and will be removed in a future version. Please use `layer.add_weight` method instead.
  warnings.warn('`layer.add_variable` is deprecated and '

Optimieren Sie das Modell, prüfen Sie die Sparsity und bewerten Sie die Genauigkeit im Vergleich zum Ausgangswert

Feinabstimmung des Modells mit Schnitt für 3 Epochen.

# Fine-tune model
pruned_model.fit(
  train_images,
  train_labels,
  epochs=3,
  validation_split=0.1,
  callbacks=callbacks)
2021-09-02 11:15:31.836903: W tensorflow/python/util/util.cc:348] Sets are not currently considered sequences, but this may change in the future, so consider avoiding using them.
Epoch 1/3
1688/1688 [==============================] - 9s 5ms/step - loss: 0.2095 - accuracy: 0.9305 - val_loss: 0.1440 - val_accuracy: 0.9528
Epoch 2/3
1688/1688 [==============================] - 8s 4ms/step - loss: 0.1042 - accuracy: 0.9671 - val_loss: 0.0947 - val_accuracy: 0.9715
Epoch 3/3
1688/1688 [==============================] - 8s 4ms/step - loss: 0.0743 - accuracy: 0.9782 - val_loss: 0.0829 - val_accuracy: 0.9770
<keras.callbacks.History at 0x7f6a81f94250>

Definieren Sie Hilfsfunktionen zum Berechnen und Drucken der Sparsity und Cluster des Modells.

def print_model_weights_sparsity(model):
    for layer in model.layers:
        if isinstance(layer, tf.keras.layers.Wrapper):
            weights = layer.trainable_weights
        else:
            weights = layer.weights
        for weight in weights:
            if "kernel" not in weight.name or "centroid" in weight.name:
                continue
            weight_size = weight.numpy().size
            zero_num = np.count_nonzero(weight == 0)
            print(
                f"{weight.name}: {zero_num/weight_size:.2%} sparsity ",
                f"({zero_num}/{weight_size})",
            )

def print_model_weight_clusters(model):
    for layer in model.layers:
        if isinstance(layer, tf.keras.layers.Wrapper):
            weights = layer.trainable_weights
        else:
            weights = layer.weights
        for weight in weights:
            # ignore auxiliary quantization weights
            if "quantize_layer" in weight.name:
                continue
            if "kernel" in weight.name:
                unique_count = len(np.unique(weight))
                print(
                    f"{layer.name}/{weight.name}: {unique_count} clusters "
                )

Lassen Sie uns zuerst den Beschneidungs-Wrapper entfernen und dann überprüfen, ob die Modellkerne korrekt beschnitten wurden.

stripped_pruned_model = tfmot.sparsity.keras.strip_pruning(pruned_model)

print_model_weights_sparsity(stripped_pruned_model)
conv2d/kernel:0: 50.00% sparsity  (54/108)
dense/kernel:0: 50.00% sparsity  (10140/20280)

Wenden Sie das sparsity-erhaltende Clustering an und prüfen Sie seine Auswirkung auf die Modellsparsity in beiden Fällen

Wenden Sie als Nächstes Sparsity-erhaltendes Clustering auf das beschnittene Modell an, beobachten Sie die Anzahl der Cluster und überprüfen Sie, ob die Sparsity erhalten bleibt.

import tensorflow_model_optimization as tfmot
from tensorflow_model_optimization.python.core.clustering.keras.experimental import (
    cluster,
)

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

cluster_weights = cluster.cluster_weights

clustering_params = {
  'number_of_clusters': 8,
  'cluster_centroids_init': CentroidInitialization.KMEANS_PLUS_PLUS,
  'preserve_sparsity': True
}

sparsity_clustered_model = cluster_weights(stripped_pruned_model, **clustering_params)

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

print('Train sparsity preserving clustering model:')
sparsity_clustered_model.fit(train_images, train_labels,epochs=3, validation_split=0.1)
Train sparsity preserving clustering model:
Epoch 1/3
1688/1688 [==============================] - 9s 5ms/step - loss: 0.0495 - accuracy: 0.9847 - val_loss: 0.0611 - val_accuracy: 0.9843
Epoch 2/3
1688/1688 [==============================] - 8s 5ms/step - loss: 0.0472 - accuracy: 0.9855 - val_loss: 0.0705 - val_accuracy: 0.9812
Epoch 3/3
1688/1688 [==============================] - 8s 5ms/step - loss: 0.0463 - accuracy: 0.9846 - val_loss: 0.0796 - val_accuracy: 0.9780
<keras.callbacks.History at 0x7f6a81c10250>

Entfernen Sie zuerst den Clustering-Wrapper und überprüfen Sie dann, ob das Modell korrekt beschnitten und geclustert wurde.

stripped_clustered_model = tfmot.clustering.keras.strip_clustering(sparsity_clustered_model)

print("Model sparsity:\n")
print_model_weights_sparsity(stripped_clustered_model)

print("\nModel clusters:\n")
print_model_weight_clusters(stripped_clustered_model)
Model sparsity:

kernel:0: 51.85% sparsity  (56/108)
kernel:0: 60.83% sparsity  (12337/20280)

Model clusters:

conv2d/kernel:0: 8 clusters 
dense/kernel:0: 8 clusters

Wenden Sie QAT und PCQAT an und prüfen Sie die Auswirkungen auf Modellcluster und Sparsity

Wenden Sie als Nächstes sowohl QAT als auch PCQAT auf das Modell mit geringer Clusterdichte an und beobachten Sie, dass PCQAT Gewichtungssparsität und Cluster in Ihrem Modell beibehält. Beachten Sie, dass das entfernte Modell an die QAT- und PCQAT-API übergeben wird.

# QAT
qat_model = tfmot.quantization.keras.quantize_model(stripped_clustered_model)

qat_model.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])
print('Train qat model:')
qat_model.fit(train_images, train_labels, batch_size=128, epochs=1, validation_split=0.1)

# PCQAT
quant_aware_annotate_model = tfmot.quantization.keras.quantize_annotate_model(
              stripped_clustered_model)
pcqat_model = tfmot.quantization.keras.quantize_apply(
              quant_aware_annotate_model,
              tfmot.experimental.combine.Default8BitClusterPreserveQuantizeScheme(preserve_sparsity=True))

pcqat_model.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])
print('Train pcqat model:')
pcqat_model.fit(train_images, train_labels, batch_size=128, epochs=1, validation_split=0.1)
Train qat model:
422/422 [==============================] - 4s 8ms/step - loss: 0.0343 - accuracy: 0.9892 - val_loss: 0.0600 - val_accuracy: 0.9858
Train pcqat model:
WARNING:tensorflow:Gradients do not exist for variables ['conv2d/kernel:0', 'dense/kernel:0'] when minimizing the loss.
WARNING:tensorflow:Gradients do not exist for variables ['conv2d/kernel:0', 'dense/kernel:0'] when minimizing the loss.
422/422 [==============================] - 4s 8ms/step - loss: 0.0371 - accuracy: 0.9880 - val_loss: 0.0664 - val_accuracy: 0.9832
<keras.callbacks.History at 0x7f6a81792910>
print("QAT Model clusters:")
print_model_weight_clusters(qat_model)
print("\nQAT Model sparsity:")
print_model_weights_sparsity(qat_model)
print("\nPCQAT Model clusters:")
print_model_weight_clusters(pcqat_model)
print("\nPCQAT Model sparsity:")
print_model_weights_sparsity(pcqat_model)
QAT Model clusters:
quant_conv2d/conv2d/kernel:0: 101 clusters 
quant_dense/dense/kernel:0: 18285 clusters 

QAT Model sparsity:
conv2d/kernel:0: 7.41% sparsity  (8/108)
dense/kernel:0: 7.64% sparsity  (1549/20280)

PCQAT Model clusters:
quant_conv2d/conv2d/kernel:0: 8 clusters 
quant_dense/dense/kernel:0: 8 clusters 

PCQAT Model sparsity:
conv2d/kernel:0: 51.85% sparsity  (56/108)
dense/kernel:0: 60.84% sparsity  (12338/20280)

Siehe Komprimierungsvorteile des PCQAT-Modells

Definieren Sie eine Hilfsfunktion, um eine gezippte Modelldatei zu erhalten.

def get_gzipped_model_size(file):
  # It returns the size of the gzipped model in kilobytes.

  _, 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)/1000

Beachten Sie, dass die Anwendung von Sparsity, Clustering und PCQAT auf ein Modell erhebliche Vorteile bei der Komprimierung bietet.

# QAT model
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(qat_model)
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
qat_tflite_model = converter.convert()
qat_model_file = 'qat_model.tflite'
# Save the model.
with open(qat_model_file, 'wb') as f:
    f.write(qat_tflite_model)

# PCQAT model
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(pcqat_model)
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
pcqat_tflite_model = converter.convert()
pcqat_model_file = 'pcqat_model.tflite'
# Save the model.
with open(pcqat_model_file, 'wb') as f:
    f.write(pcqat_tflite_model)

print("QAT model size: ", get_gzipped_model_size(qat_model_file), ' KB')
print("PCQAT model size: ", get_gzipped_model_size(pcqat_model_file), ' KB')
WARNING:absl:Found untraced functions such as reshape_layer_call_and_return_conditional_losses, reshape_layer_call_fn, conv2d_layer_call_and_return_conditional_losses, conv2d_layer_call_fn, flatten_layer_call_and_return_conditional_losses while saving (showing 5 of 20). These functions will not be directly callable after loading.
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmp6_obh00g/assets
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmp6_obh00g/assets
2021-09-02 11:16:32.221664: W tensorflow/compiler/mlir/lite/python/tf_tfl_flatbuffer_helpers.cc:351] Ignored output_format.
2021-09-02 11:16:32.221712: W tensorflow/compiler/mlir/lite/python/tf_tfl_flatbuffer_helpers.cc:354] Ignored drop_control_dependency.
WARNING:absl:Found untraced functions such as reshape_layer_call_and_return_conditional_losses, reshape_layer_call_fn, conv2d_layer_call_and_return_conditional_losses, conv2d_layer_call_fn, flatten_layer_call_and_return_conditional_losses while saving (showing 5 of 20). These functions will not be directly callable after loading.
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmpuqqwyk0s/assets
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmpuqqwyk0s/assets
QAT model size:  13.723  KB
PCQAT model size:  7.352  KB
2021-09-02 11:16:33.766310: W tensorflow/compiler/mlir/lite/python/tf_tfl_flatbuffer_helpers.cc:351] Ignored output_format.
2021-09-02 11:16:33.766350: W tensorflow/compiler/mlir/lite/python/tf_tfl_flatbuffer_helpers.cc:354] Ignored drop_control_dependency.

Sehen Sie die Beständigkeit der Genauigkeit von TF bis TFLite

Definieren Sie eine Hilfsfunktion, um das TFLite-Modell im Test-Dataset auszuwerten.

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(f"Evaluated on {i} results so far.")
    # 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

Bewerten Sie das Modell, das beschnitten, geclustert und quantisiert wurde, und stellen Sie dann sicher, dass die Genauigkeit von TensorFlow im TFLite-Back-End erhalten bleibt.

interpreter = tf.lite.Interpreter(pcqat_model_file)
interpreter.allocate_tensors()

pcqat_test_accuracy = eval_model(interpreter)

print('Pruned, clustered and quantized TFLite test_accuracy:', pcqat_test_accuracy)
print('Baseline TF test accuracy:', baseline_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.


Pruned, clustered and quantized TFLite test_accuracy: 0.9803
Baseline TF test accuracy: 0.9811000227928162

Abschluss

In diesem Tutorial haben Sie gelernt , wie man ein Modell erstellen, beschneiden sie die Verwendung von prune_low_magnitude() API und sparsity Erhaltung Clustering gelten die mit cluster_weights() API sparsity zu erhalten , während die Gewichte Clustering.

Als nächstes wurde Sparsity und Cluster Preserving Quantization Aware Training (PCQAT) angewendet, um Modellsparsity und Cluster bei der Verwendung von QAT zu erhalten. Das endgültige PCQAT-Modell wurde mit dem QAT-Modell verglichen, um zu zeigen, dass Sparsity und Cluster im ersteren erhalten bleiben und im letzteren verloren gehen.

Als nächstes wurden die Modelle in TFLite konvertiert, um die Komprimierungsvorteile der Verkettung von Sparsity, Clustering und PCQAT-Modelloptimierungstechniken zu zeigen, und das TFLite-Modell wurde evaluiert, um sicherzustellen, dass die Genauigkeit im TFLite-Backend erhalten bleibt.

Schließlich wurde die Genauigkeit des PCQAT TFLite-Modells mit der Genauigkeit des Basismodells vor der Optimierung verglichen, um zu zeigen, dass kollaborative Optimierungstechniken die Komprimierungsvorteile erzielen konnten, während eine ähnliche Genauigkeit wie beim Originalmodell beibehalten wurde.