tensorflow模型量化实例
sherry颖 2019-12-18
1，概述
模型量化应该是现在最容易实现的模型压缩技术，而且也基本上是在移动端部署的模型的毕竟之路。模型量化基本可以分为两种：post training quantizated和quantization aware training。在pyrotch和tensroflow中都提供了相应的实现接口。
对于量化用现在常见的min-max方式可以用公式概括为：
$r = S (q - Z)$
上面式子中q为量化后的值，r为原始浮点值，S为浮点类型的缩放稀疏，Z为和q相同类型的表示r中0点的值。根据：
$\frac{q - q_{min}}{q_{max} - q_{min}} = \frac{r - r_{min}}{r_{max} - r_{min}}$
可以推断得到S和Z的值：
$S = \frac{r_{max} - r_{min}}{q_{max} - q_{min}}$
$Z = q_{min} - \frac{r_{min}}{S}$
2，实验部分
基于tensorflow在LeNet上实验了这两种量化方式，代码见GitHub：https://github.com/jiangxinyang227/model_quantization。
post training quantizated
在tensorflow中实现起来特别简单，训练后的模型可是选择用savedModel保存的模型作为输入进行量化并转换成tflite，我们将这个版本称为v1版本。
import tensorflow as tf
saved_model_dir = "./pb_model"
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(saved_model_dir,
input_arrays=["inputs"],
input_shapes={"inputs": [1, 784]},
output_arrays=["predictions"])
converter.optimizations = ["DEFAULT"]
tflite_model = converter.convert()
open("tflite_model_v3/eval_graph.tflite", "wb").write(tflite_model)但在实际过程中这份代码转换后的tflite模型大小并没有缩小到1/4。所以非常奇怪，目前还不确定原因。在这基础上我们引入了一行代码，将这个版本称为v2：
import tensorflow as tf
saved_model_dir = "./pb_model"
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(saved_model_dir,
input_arrays=["inputs"],
input_shapes={"inputs": [1, 784]},
output_arrays=["predictions"])
converter.optimizations = ["DEFAULT"] # 保存为v1,v2版本时使用
converter.post_training_quantize = True # 保存为v2版本时使用
tflite_model = converter.convert()
open("tflite_model_v3/eval_graph.tflite", "wb").write(tflite_model)这样模型的大小缩小到了1/4。
之后再单独转为tflite的模型，这个称为v3：
import tensorflow as tf
saved_model_dir = "./pb_model"
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(saved_model_dir,
input_arrays=["inputs"],
input_shapes={"inputs": [1, 784]},
output_arrays=["predictions"])
tflite_model = converter.convert()
open("tflite_model_v3/eval_graph.tflite", "wb").write(tflite_model)很显然，直接转为tflite，模型大小肯定不会压缩的，我们再来看看推断速度，推断代码再GitHub上，具体结果如下：
上面checkpoint是在cpu上直接加载checkpoint进行预测。在这里看到只有v2版本的模型压缩到了原来的1/4，但是推断速度却不如v1和v3版本，且tflite模型的推断速度明显优于checkpoint。我猜原因可能是：
1，tflite本身的解释器对tflite模型是有加速的。
2，至于为什么量化后的模型反而效果不好，是因为post training quantized本质上计算时是将int转换成float计算的，因此中间存在量化和反量化的操作占绝了些时间。
quantization aware training
在训练中引入量化的操作要复杂很多，首先在训练时在损失计算后面，优化器定义前面要要引入tf.contrib.quantize.create_training_graph()。如下：
self.loss = slim.losses.softmax_cross_entropy(self.train_digits, self.input_labels)
# 获取当前的计算图，用于后续的量化
self.g = tf.get_default_graph()
if self.is_train:
# 在损失函数之后，优化器定义之前，在这里会自动选择计算图中的一些operation和activation做伪量化
tf.contrib.quantize.create_training_graph(self.g, 80000)
self.lr = cfg.LEARNING_RATE
self.train_op = tf.train.AdamOptimizer(self.lr).minimize(self.loss)训练完之后模型会保存为checkpoint文件，该文件中含有伪量化信息。这个里面的变量还是float类型，我们需要将其转换成只含int类型的模型文件，具体做法如下：
1，保存为freeze pb文件，并使用tf.contrib.quantize.create_eval_graph()来转换成推断模式
with tf.Session() as sess:
le_net = Lenet(False)
saver = tf.train.Saver() # 不可以导入train graph，需要重新创建一个graph，然后将train graph图中的参数来填充该图
saver.restore(sess, cfg.PARAMETER_FILE)
frozen_graph_def = graph_util.convert_variables_to_constants(
sess, sess.graph_def, [‘predictions‘])
tf.io.write_graph(
frozen_graph_def,
"pb_model",
"freeze_eval_graph.pb",
as_text=False)注意上面的注释，在这里的saver一定不能用类似tf.train.import_meta_graph的方式导入训练时的计算图，而是通过再次调用Lenet类初始一个计算图，然后将训练图中的参数变量赋给该计算图。
2，转换成tflite文件
import tensorflow as tf
path_to_frozen_graphdef_pb = ‘pb_model/freeze_eval_graph.pb‘
converter = tf.contrib.lite.TFLiteConverter.from_frozen_graph(path_to_frozen_graphdef_pb,
["inputs"],
["predictions"])
converter.inference_type = tf.contrib.lite.constants.QUANTIZED_UINT8
converter.quantized_input_stats = {"inputs": (0., 1.)}
converter.allow_custom_ops = True
converter.default_ranges_stats = (0, 255)
converter.post_training_quantize = True
tflite_model = converter.convert()
open("tflite_model/eval_graph.tflite", "wb").write(tflite_model)注意几点：
1)，["inputs"], ["predictions"]是freeze pb中的输入节点和输出节点
2)，quantized_input_states是定义输入的均值和方差，tensorflow lite的文档中说这个mean和var的计算方式是：mean 是 0 到 255 之间的整数值，映射到浮点数 0.0f。std_dev = 255 /（float_max - float_min）但我发现再这里采用0. 和 1.的效果也是不错的。
3)，default_ranges_states是指量化后的值的范围，其中255就是2^8 - 1。
3，使用tflite预测
import time
import tensorflow as tf
import numpy as np
import tensorflow.examples.tutorials.mnist.input_data as input_data
mnist = input_data.read_data_sets(‘MNIST_data/‘, one_hot=True)
labels = [label.index(1) for label in mnist.test.labels.tolist()]
images = mnist.test.images
"""
预测的时候需要将输入归一化到标准正态分布
"""
means = np.mean(images, axis=1).reshape([10000, 1])
std = np.std(images, axis=1, ddof=1).reshape([10000, 1])
images = (images - means) / std
"""
需要将输入的值转换成uint8的类型才可以
"""
images = np.array(images, dtype="uint8")
interpreter = tf.contrib.lite.Interpreter(model_path="tflite_model/eval_graph.tflite")
interpreter.allocate_tensors()
input_details = interpreter.get_input_details()
output_details = interpreter.get_output_details()
start_time = time.time()
predictions = []
for image in images:
interpreter.set_tensor(input_details[0][‘index‘], [image])
interpreter.invoke()
score = interpreter.get_tensor(output_details[0][‘index‘])[0][0]
predictions.append(score)
correct = 0
for prediction, label in zip(predictions, labels):
if prediction == label:
correct += 1
end_time = time.time()
print((end_time - start_time) / len(labels) * 1000)
print(correct / len(labels))同样要注意两点：
1)，输入要归一化到标准正态分布，这个我认为是和之前设定的quantized_inputs_states保持一致的。
2)，输入要转换成uint8类型，不然会会报错。
4，性能对比
模型大小降低到之前的1/4，这个是没什么问题的，性能下降2%，可以接受，推断速度提升了3倍左右。
我们再和之前post training quantized中对比下：大小和v2一样，性能较v2差2%，推断速度快0.02。个人认为原因可能如下：
1，首先可能LeNet在mnist数据集上算是大模型，因此post training quantized对性能损失不大，因此和quantization aware training比并没有劣势，反而还有些优势。
2，quantization aware training的推断速度要快一些（注：这个值不是偶然，我测试过很多次，推断速度基本都稳定在一个值，平均上差0.02），但是快的不明显，而且较v1和v3还有所下降，因为在卷积网络中，计算复杂度主要受卷积的影响，而在这里的卷积并不大，量化后对推断速度的影响并不明显，其次引入量化操作还会损耗一些时间，且v2中还有反量化操作，因此时间消耗更多一点。最后就是可能硬件上并没有特别支持int8的计算。
总之上面只是测试了整个tensorflow中量化的流程。因为选择的网络比较简单，并没有看到在诸如Inception3，mobileNet上那样明显一点的差距。另外tflite确实能加速。
