Обрезка на примере Кераса

Посмотреть на TensorFlow.org Запустить в Google Colab Посмотреть исходный код на GitHub Скачать блокнот

Обзор

Добро пожаловать в комплексный пример обрезки веса на основе величины.

Другие страницы

Чтобы получить представление о том, что такое обрезка, и определить, следует ли вам ее использовать (включая то, что поддерживается), см. Страницу обзора .

Чтобы быстро найти API, необходимые для вашего варианта использования (помимо полного обрезания модели с разреженностью 80%), см. Подробное руководство .

Резюме

В этом руководстве вы:

  1. tf.keras модель tf.keras для MNIST с нуля.
  2. Выполните точную настройку модели, применив API обрезки, и убедитесь в точности.
  3. Создавайте модели TF и ​​TFLite в 3 раза меньшего размера из обрезки.
  4. Создайте модель TFLite в 10 раз меньше, объединив обрезку и посттренировочное квантование.
  5. Посмотрите на постоянство точности от TF к TFLite.

Настраивать

 pip install -q tensorflow-model-optimization
import tempfile
import os

import tensorflow as tf
import numpy as np

from tensorflow import keras

%load_ext tensorboard

Обучите модель для MNIST без обрезки

# 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 and 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='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,
  epochs=4,
  validation_split=0.1,
)
Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/mnist.npz
11493376/11490434 [==============================] - 0s 0us/step
Epoch 1/4
1688/1688 [==============================] - 10s 6ms/step - loss: 0.2785 - accuracy: 0.9220 - val_loss: 0.1031 - val_accuracy: 0.9740
Epoch 2/4
1688/1688 [==============================] - 9s 5ms/step - loss: 0.1063 - accuracy: 0.9691 - val_loss: 0.0782 - val_accuracy: 0.9790
Epoch 3/4
1688/1688 [==============================] - 9s 5ms/step - loss: 0.0815 - accuracy: 0.9765 - val_loss: 0.0788 - val_accuracy: 0.9775
Epoch 4/4
1688/1688 [==============================] - 9s 5ms/step - loss: 0.0689 - accuracy: 0.9797 - val_loss: 0.0633 - val_accuracy: 0.9840
<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7f146fbd8bd0>

Оцените точность базового теста и сохраните модель 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')
tf.keras.models.save_model(model, keras_file, include_optimizer=False)
print('Saved baseline model to:', keras_file)
Baseline test accuracy: 0.9775999784469604
Saved baseline model to: /tmp/tmpjj6swf59.h5

Точная настройка предварительно обученной модели с обрезкой

Определите модель

Вы примените обрезку ко всей модели и увидите это в сводке модели.

В этом примере вы начинаете модель с разреженностью 50% (50% нулей в весах) и заканчиваете разреженностью 80%.

В подробном руководстве вы можете увидеть, как обрезать некоторые слои для повышения точности модели.

import tensorflow_model_optimization as tfmot

prune_low_magnitude = tfmot.sparsity.keras.prune_low_magnitude

# Compute end step to finish pruning after 2 epochs.
batch_size = 128
epochs = 2
validation_split = 0.1 # 10% of training set will be used for validation set. 

num_images = train_images.shape[0] * (1 - validation_split)
end_step = np.ceil(num_images / batch_size).astype(np.int32) * epochs

# Define model for pruning.
pruning_params = {
      'pruning_schedule': tfmot.sparsity.keras.PolynomialDecay(initial_sparsity=0.50,
                                                               final_sparsity=0.80,
                                                               begin_step=0,
                                                               end_step=end_step)
}

model_for_pruning = prune_low_magnitude(model, **pruning_params)

# `prune_low_magnitude` requires a recompile.
model_for_pruning.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
              metrics=['accuracy'])

model_for_pruning.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
_________________________________________________________________

Обучите и оцените модель относительно базовой линии

Тонкая настройка с обрезкой на две эпохи.

tfmot.sparsity.keras.UpdatePruningStep требуется во время обучения, а tfmot.sparsity.keras.PruningSummaries предоставляет журналы для отслеживания прогресса и отладки.

logdir = tempfile.mkdtemp()

callbacks = [
  tfmot.sparsity.keras.UpdatePruningStep(),
  tfmot.sparsity.keras.PruningSummaries(log_dir=logdir),
]

model_for_pruning.fit(train_images, train_labels,
                  batch_size=batch_size, epochs=epochs, validation_split=validation_split,
                  callbacks=callbacks)
Epoch 1/2
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.
  3/422 [..............................] - ETA: 12s - loss: 0.0628 - accuracy: 0.9896  WARNING:tensorflow:Callback method `on_train_batch_end` is slow compared to the batch time (batch time: 0.0075s vs `on_train_batch_end` time: 0.0076s). Check your callbacks.
422/422 [==============================] - 5s 9ms/step - loss: 0.0797 - accuracy: 0.9771 - val_loss: 0.0828 - val_accuracy: 0.9790
Epoch 2/2
422/422 [==============================] - 3s 8ms/step - loss: 0.0971 - accuracy: 0.9741 - val_loss: 0.0839 - val_accuracy: 0.9775
<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7f12e4502910>

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

_, model_for_pruning_accuracy = model_for_pruning.evaluate(
   test_images, test_labels, verbose=0)

print('Baseline test accuracy:', baseline_model_accuracy) 
print('Pruned test accuracy:', model_for_pruning_accuracy)
Baseline test accuracy: 0.9775999784469604
Pruned test accuracy: 0.972100019454956

Журналы показывают прогрессирование разреженности на уровне слоев.

%tensorboard --logdir={logdir}

Пользователи, не использующие Colab, могут увидетьрезультаты предыдущего запуска этого блока кода на TensorBoard.dev .

Создание моделей в 3 раза меньшего размера из обрезки

И tfmot.sparsity.keras.strip_pruning и применение стандартного алгоритма сжатия (например, через gzip) необходимы, чтобы увидеть преимущества сжатия от сокращения.

  • strip_pruning необходима, поскольку она удаляет все tf.Variable, которая требуется только во время обучения, которая в противном случае увеличила бы размер модели во время вывода
  • Применение стандартного алгоритма сжатия необходимо, поскольку сериализованные весовые матрицы имеют тот же размер, что и до обрезки. Однако при сокращении большинство весов обнуляется, что является дополнительной избыточностью, которую алгоритмы могут использовать для дальнейшего сжатия модели.

Сначала создайте сжимаемую модель для TensorFlow.

model_for_export = tfmot.sparsity.keras.strip_pruning(model_for_pruning)

_, pruned_keras_file = tempfile.mkstemp('.h5')
tf.keras.models.save_model(model_for_export, pruned_keras_file, include_optimizer=False)
print('Saved pruned Keras model to:', pruned_keras_file)
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.
Saved pruned Keras model to: /tmp/tmp22u333hk.h5

Затем создайте сжимаемую модель для TFLite.

converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(model_for_export)
pruned_tflite_model = converter.convert()

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

with open(pruned_tflite_file, 'wb') as f:
  f.write(pruned_tflite_model)

print('Saved pruned TFLite model to:', pruned_tflite_file)
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/tmp51falze0/assets
Saved pruned TFLite model to: /tmp/tmpehx5la2i.tflite

Определите вспомогательную функцию для фактического сжатия моделей с помощью gzip и измерения размера заархивированного файла.

def get_gzipped_model_size(file):
  # Returns size of 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)

Сравните и увидите, что модели в 3 раза меньше после обрезки.

print("Size of gzipped baseline Keras model: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(keras_file)))
print("Size of gzipped pruned Keras model: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(pruned_keras_file)))
print("Size of gzipped pruned TFlite model: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(pruned_tflite_file)))
Size of gzipped baseline Keras model: 78211.00 bytes
Size of gzipped pruned Keras model: 25797.00 bytes
Size of gzipped pruned TFlite model: 24995.00 bytes

Создайте модель в 10 раз меньше, комбинируя обрезку и квантование

Вы можете применить квантование после обучения к сокращенной модели для получения дополнительных преимуществ.

converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(model_for_export)
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
quantized_and_pruned_tflite_model = converter.convert()

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

with open(quantized_and_pruned_tflite_file, 'wb') as f:
  f.write(quantized_and_pruned_tflite_model)

print('Saved quantized and pruned TFLite model to:', quantized_and_pruned_tflite_file)

print("Size of gzipped baseline Keras model: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(keras_file)))
print("Size of gzipped pruned and quantized TFlite model: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(quantized_and_pruned_tflite_file)))
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/tmp6tzu3z87/assets
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/tmp6tzu3z87/assets
Saved quantized and pruned TFLite model to: /tmp/tmp0mvlkin1.tflite
Size of gzipped baseline Keras model: 78211.00 bytes
Size of gzipped pruned and quantized TFlite model: 8031.00 bytes

Смотрите постоянство точности от TF до TFLite

Определите вспомогательную функцию для оценки модели TF Lite в тестовом наборе данных.

import numpy as np

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

  # Run predictions on ever y 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

Вы оцениваете обрезанную и квантованную модель и видите, что точность от TensorFlow сохраняется до бэкэнда TFLite.

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

test_accuracy = evaluate_model(interpreter)

print('Pruned and quantized TFLite test_accuracy:', test_accuracy)
print('Pruned TF test accuracy:', model_for_pruning_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: 0.9722
Pruned TF test accuracy: 0.972100019454956

Заключение

В этом руководстве вы увидели, как создавать разреженные модели с помощью TensorFlow Model Optimization Toolkit API для TensorFlow и TFLite. Затем вы объединили обрезку с квантованием после обучения для получения дополнительных преимуществ.

Вы создали модель MNIST в 10 раз меньше, с минимальной разницей в точности.

Мы рекомендуем вам попробовать эту новую возможность, которая может быть особенно важной для развертывания в средах с ограниченными ресурсами.