Объявлена ​​повестка дня! Сохранить пятно на женщин в МЛ симпозиуме по 19 октября Зарегистрируйтесь сейчас

Отсечение с сохранением обучения с учетом квантования (PQAT) Пример Keras

Посмотреть на TensorFlow.org Запускаем в Google Colab Посмотреть на GitHub Скачать блокнот

Обзор

Это конец конца пример , показывающий использование обрезку консервирование квантования известно обучение (PQAT) API, часть совместного трубопровода оптимизации TensorFlow модели оптимизации инструментария.

Другие страницы

Для введения в трубопровод и другие доступных методы, см совместной страница обзора оптимизации .

СОДЕРЖАНИЕ

В этом руководстве вы:

  1. Поезд tf.keras модель для MNIST набора данных с нуля.
  2. Настройте модель с обрезкой, используя API разреженности, и убедитесь в точности.
  3. Применяйте QAT и наблюдайте потерю разреженности.
  4. Примените PQAT и убедитесь, что ранее примененная разреженность сохранилась.
  5. Создайте модель TFLite и посмотрите, как на нее влияет применение PQAT.
  6. Сравните достигнутую точность модели PQAT с моделью, квантованной с использованием посттренировочного квантования.

Настраивать

Вы можете запустить этот Jupyter ноутбук в вашем virtualenv или colab . Для получения дополнительной информации о настройке зависимостей, пожалуйста , обратитесь к руководству по установке .

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

import numpy as np
import tempfile
import zipfile
import os

Обучите модель tf.keras для MNIST без обрезки

# 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)
])

# 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
)
Epoch 1/10
1688/1688 [==============================] - 8s 4ms/step - loss: 0.2940 - accuracy: 0.9172 - val_loss: 0.1183 - val_accuracy: 0.9693
Epoch 2/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.1150 - accuracy: 0.9674 - val_loss: 0.0863 - val_accuracy: 0.9770
Epoch 3/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0821 - accuracy: 0.9760 - val_loss: 0.0738 - val_accuracy: 0.9797
Epoch 4/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0673 - accuracy: 0.9806 - val_loss: 0.0661 - val_accuracy: 0.9837
Epoch 5/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0583 - accuracy: 0.9826 - val_loss: 0.0632 - val_accuracy: 0.9835
Epoch 6/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0520 - accuracy: 0.9845 - val_loss: 0.0635 - val_accuracy: 0.9820
Epoch 7/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0460 - accuracy: 0.9857 - val_loss: 0.0746 - val_accuracy: 0.9815
Epoch 8/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0423 - accuracy: 0.9875 - val_loss: 0.0601 - val_accuracy: 0.9848
Epoch 9/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0384 - accuracy: 0.9885 - val_loss: 0.0604 - val_accuracy: 0.9855
Epoch 10/10
1688/1688 [==============================] - 7s 4ms/step - loss: 0.0347 - accuracy: 0.9894 - val_loss: 0.0648 - val_accuracy: 0.9835
<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7fb08657b5d0>

Оцените базовую модель и сохраните ее для дальнейшего использования.

_, 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: 0.9810000061988831
Saving model to:  /tmp/tmp0akp2126.h5

Обрежьте и настройте модель до 50% разреженности

Нанести prune_low_magnitude() API , чтобы сократить все заранее подготовленных модели для демонстрации и наблюдать за его эффективность в уменьшении размера модели при применении почтового индекса, сохраняя при этом точности. О том , как лучше использовать API для достижения наилучшего коэффициента сжатия при сохранении вашей целевой точности, обратитесь к отсечению всеобъемлющего руководству .

Определите модель и примените API разреженности

Перед использованием разреженного API модель необходимо предварительно обучить.

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'])

pruned_model.summary()
/tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/tensorflow/python/keras/engine/base_layer.py:2191: 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 '
Model: "sequential"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
prune_low_magnitude_reshape  (None, 28, 28, 1)         1         
_________________________________________________________________
prune_low_magnitude_conv2d ( (None, 26, 26, 12)        230       
_________________________________________________________________
prune_low_magnitude_max_pool (None, 13, 13, 12)        1         
_________________________________________________________________
prune_low_magnitude_flatten  (None, 2028)              1         
_________________________________________________________________
prune_low_magnitude_dense (P (None, 10)                40572     
=================================================================
Total params: 40,805
Trainable params: 20,410
Non-trainable params: 20,395
_________________________________________________________________

Выполните точную настройку модели и оцените точность по сравнению с базовой линией

Точная настройка модели с обрезкой на 3 эпохи.

# Fine-tune model
pruned_model.fit(
  train_images,
  train_labels,
  epochs=3,
  validation_split=0.1,
  callbacks=callbacks)
Epoch 1/3
WARNING:tensorflow:From /tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/tensorflow/python/ops/array_ops.py:5049: calling gather (from tensorflow.python.ops.array_ops) with validate_indices is deprecated and will be removed in a future version.
Instructions for updating:
The `validate_indices` argument has no effect. Indices are always validated on CPU and never validated on GPU.
1688/1688 [==============================] - 9s 5ms/step - loss: 0.1243 - accuracy: 0.9580 - val_loss: 0.1146 - val_accuracy: 0.9650
Epoch 2/3
1688/1688 [==============================] - 8s 4ms/step - loss: 0.0883 - accuracy: 0.9713 - val_loss: 0.0945 - val_accuracy: 0.9720
Epoch 3/3
1688/1688 [==============================] - 8s 4ms/step - loss: 0.0722 - accuracy: 0.9774 - val_loss: 0.0858 - val_accuracy: 0.9753
<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7fafb6c80310>

Определите вспомогательные функции для вычисления и печати разреженности модели.

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:
            # ignore auxiliary quantization weights
            if "quantize_layer" 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})",
            )

Убедитесь, что модель была правильно обрезана. Сначала нам нужно снять обертку для обрезки.

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)
conv2d/bias:0: 0.00% sparsity  (0/12)
dense/kernel:0: 50.00% sparsity  (10140/20280)
dense/bias:0: 0.00% sparsity  (0/10)

В этом примере потеря точности теста после обрезки минимальна по сравнению с базовой линией.

_, pruned_model_accuracy = pruned_model.evaluate(
  test_images, test_labels, verbose=0)

print('Baseline test accuracy:', baseline_model_accuracy)
print('Pruned test accuracy:', pruned_model_accuracy)
Baseline test accuracy: 0.9810000061988831
Pruned test accuracy: 0.973800003528595

Примените QAT и PQAT и проверьте влияние разреженности модели в обоих случаях.

Затем мы применяем как QAT, так и QAT с сохранением обрезки (PQAT) на обрезанной модели и наблюдаем, что PQAT сохраняет разреженность на вашей обрезанной модели. Обратите внимание , что мы раздели обрезка оберток от вашей модели обрезают с tfmot.sparsity.keras.strip_pruning перед применением PQAT API.

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

# PQAT
quant_aware_annotate_model = tfmot.quantization.keras.quantize_annotate_model(
              stripped_pruned_model)
pqat_model = tfmot.quantization.keras.quantize_apply(
              quant_aware_annotate_model,
              tfmot.experimental.combine.Default8BitPrunePreserveQuantizeScheme())

pqat_model.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])
print('Train pqat model:')
pqat_model.fit(train_images, train_labels, batch_size=128, epochs=1, validation_split=0.1)
Train qat model:
422/422 [==============================] - 4s 8ms/step - loss: 0.0386 - accuracy: 0.9891 - val_loss: 0.0607 - val_accuracy: 0.9832
Train pqat model:
422/422 [==============================] - 4s 8ms/step - loss: 0.0416 - accuracy: 0.9881 - val_loss: 0.0590 - val_accuracy: 0.9832
<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7fafb5e48f50>
print("QAT Model sparsity:")
print_model_weights_sparsity(qat_model)
print("PQAT Model sparsity:")
print_model_weights_sparsity(pqat_model)
QAT Model sparsity:
conv2d/bias:0: 0.00% sparsity  (0/12)
conv2d/kernel:0: 6.48% sparsity  (7/108)
dense/bias:0: 0.00% sparsity  (0/10)
dense/kernel:0: 5.67% sparsity  (1149/20280)
PQAT Model sparsity:
conv2d/bias:0: 0.00% sparsity  (0/12)
conv2d/kernel:0: 50.00% sparsity  (54/108)
dense/bias:0: 0.00% sparsity  (0/10)
dense/kernel:0: 50.00% sparsity  (10140/20280)

Ознакомьтесь с преимуществами сжатия модели PQAT

Определите вспомогательную функцию для получения заархивированного файла модели.

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

Поскольку это маленькая модель, разница между двумя моделями не очень заметна. Применение обрезки и PQAT к более крупной производственной модели приведет к более значительному сжатию.

# 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)

# PQAT model
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(pqat_model)
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
pqat_tflite_model = converter.convert()
pqat_model_file = 'pqat_model.tflite'
# Save the model.
with open(pqat_model_file, 'wb') as f:
    f.write(pqat_tflite_model)

print("QAT model size: ", get_gzipped_model_size(qat_model_file), ' KB')
print("PQAT model size: ", get_gzipped_model_size(pqat_model_file), ' KB')
WARNING:absl:Found untraced functions such as reshape_layer_call_fn, reshape_layer_call_and_return_conditional_losses, conv2d_layer_call_fn, conv2d_layer_call_and_return_conditional_losses, flatten_layer_call_fn while saving (showing 5 of 20). These functions will not be directly callable after loading.
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmpurndy6nz/assets
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmpurndy6nz/assets
WARNING:absl:Found untraced functions such as reshape_layer_call_fn, reshape_layer_call_and_return_conditional_losses, conv2d_layer_call_fn, conv2d_layer_call_and_return_conditional_losses, flatten_layer_call_fn while saving (showing 5 of 20). These functions will not be directly callable after loading.
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmpgsy8_zld/assets
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmpgsy8_zld/assets
QAT model size:  16.326  KB
PQAT model size:  14.022  KB

Оцените постоянство точности при переходе от TF к TFLite

Определите вспомогательную функцию для оценки модели TFLite в тестовом наборе данных.

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

Вы оцениваете модель, которая была обрезана и квантована, а затем видите, что точность TensorFlow сохраняется в бэкэнде TFLite.

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

pqat_test_accuracy = eval_model(interpreter)

print('Pruned and quantized TFLite test_accuracy:', pqat_test_accuracy)
print('Pruned TF test accuracy:', pruned_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 and quantized TFLite test_accuracy: 0.9815
Pruned TF test accuracy: 0.973800003528595

Примените квантование после обучения и сравните с моделью PQAT

Затем мы используем обычное квантование после обучения (без точной настройки) на сокращенной модели и проверяем ее точность по модели PQAT. Это демонстрирует, почему вам нужно использовать PQAT для повышения точности квантованной модели.

Сначала определите генератор для набора данных калибровки из первых 1000 обучающих изображений.

def mnist_representative_data_gen():
  for image in train_images[:1000]:  
    image = np.expand_dims(image, axis=0).astype(np.float32)
    yield [image]

Проведите квантование модели и сравните точность с ранее полученной моделью PQAT. Обратите внимание, что модель, квантованная с помощью точной настройки, обеспечивает более высокую точность.

converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(stripped_pruned_model)
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
converter.representative_dataset = mnist_representative_data_gen
post_training_tflite_model = converter.convert()
post_training_model_file = 'post_training_model.tflite'
# Save the model.
with open(post_training_model_file, 'wb') as f:
    f.write(post_training_tflite_model)

# Compare accuracy
interpreter = tf.lite.Interpreter(post_training_model_file)
interpreter.allocate_tensors()

post_training_test_accuracy = eval_model(interpreter)

print('PQAT TFLite test_accuracy:', pqat_test_accuracy)
print('Post-training (no fine-tuning) TF test accuracy:', post_training_test_accuracy)
WARNING:tensorflow:Compiled the loaded model, but the compiled metrics have yet to be built. `model.compile_metrics` will be empty until you train or evaluate the model.
WARNING:tensorflow:Compiled the loaded model, but the compiled metrics have yet to be built. `model.compile_metrics` will be empty until you train or evaluate the model.
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmpk4ymv7ej/assets
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmpk4ymv7ej/assets
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.


PQAT TFLite test_accuracy: 0.9815
Post-training (no fine-tuning) TF test accuracy: 0.9734

Заключение

В этом руководстве вы узнали, как создать модель, сократить ее с помощью API разреженности и применить обучение с учетом квантования с сохранением разреженности (PQAT) для сохранения разреженности при использовании QAT. Окончательная модель PQAT сравнивалась с моделью QAT, чтобы показать, что разреженность сохраняется в первой и теряется во второй. Затем модели были преобразованы в TFLite, чтобы показать преимущества сжатия, связанные с сокращением цепочки и методами оптимизации модели PQAT, а модель TFLite была оценена, чтобы гарантировать, что точность сохраняется в бэкэнде TFLite. Наконец, модель PQAT сравнивалась с квантованной сокращенной моделью, полученной с использованием API квантования после обучения, чтобы продемонстрировать преимущество PQAT в восстановлении потери точности из-за нормального квантования.