『paddle』paddleseg 学习笔记：模型压缩

---

许多的神经网络模型需要巨大的计算开销和内存开销，严重阻碍了资源受限下的使用，通过模型压缩可以减少模型参数或者计算量，有效地降低计算和存储开销，便于部署再受限的硬件环境中。PaddleSeg 基于 PaddleSlim，集成了模型在线量化、模型裁剪等模型压缩能力。本文提供相关能力的使用教程。

一、安装 PaddleSlim

在进行模型量化或者裁剪前，请先安装相关依赖：

pip install paddleslim==2.0.0

二、模型量化

模型量化是通过将模型中的参数计算，从浮点计算转成低比特定点计算的技术，可以有效的降低模型计算强度、参数大小和内存消耗。PaddleSeg 基于 PaddleSlim 库，提供了模型在线量化的能力。

注意：对于小模型而言，由于模型本身运行速度已经非常快，加入量化操作反而可能导致模型运行速度变慢

step 1. 模型训练

我们可以通过 PaddleSeg 提供的脚本对模型进行训练，请确保完成了 PaddleSeg 的安装工作，并且位于 PaddleSeg 目录下，执行以下脚本：

export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0 	# 设置1张可用的卡
# set CUDA_VISIBLE_DEVICES=0	# windows下请执行此命令
python train.py \
       --config configs/quick_start/bisenet_optic_disc_512x512_1k.yml \
       --do_eval \
       --use_vdl \
       --save_interval 500 \
       --save_dir output

step 2. 模型量化并再次训练

加载上一步训练完成的模型，启动量化脚本，并配置对应的参数。

参数名	用途	是否必选项	默认值
retraining_iters	量化完成后的重训练迭代数	是
config	配置文件	是
batch_size	重训练时的单卡batch size	否	配置文件中指定值
learning_rate	重训练时的学习率	否	配置文件中指定值
model_path	预训练模型参数路径	否
num_workers	重训练时用于异步读取数据的进程数量，大于等于1时开启子进程读取数据	否	0
save_dir	量化后模型的保存路径	否	output

# 请在 PaddleSeg 根目录运行
export PYTHONPATH=`pwd`
# set PYTHONPATH=%cd%	# windows下请执行此命令

python slim/quant.py \
       --config configs/quick_start/bisenet_optic_disc_512x512_1k.yml \
       --retraining_iters 10 \
       --model_path output/best_model/model.pdparams \
       --save_dir quant_model

三、模型裁剪

模型裁剪，是指通过减少卷积层中卷积核的数量，来减小模型大小和降低模型计算复杂度的一种模型压缩方式。PaddleSeg基于PaddleSlim库，提供了基于敏感度的卷积通道剪裁脚本，能够快速地分析出模型中的冗余参数，按照用户指定的裁剪比例进行剪枝并重新训练，在精度和速度上取得一个较好的平衡。

注意：目前只有以下模型支持裁剪功能，更多模型正在支持中：
BiSeNetv2、FCN、Fast-SCNN、HardNet、UNet

step 1. 模型训练

我们可以通过PaddleSeg提供的脚本对模型进行训练，请确保完成了PaddleSeg的安装工作，并且位于PaddleSeg目录下，执行以下脚本：

export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0 # 设置1张可用的卡
# windows下请执行以下命令
# set CUDA_VISIBLE_DEVICES=0
python train.py \
       --config configs/quick_start/bisenet_optic_disc_512x512_1k.yml \
       --do_eval \
       --use_vdl \
       --save_interval 500 \
       --save_dir output

step 2. 裁剪并保存模型

加载上一步训练完成的模型，指定裁剪率，并启动裁剪脚本。

注意：基于敏感度的卷积通道剪裁方式，需要不断的评估每个卷积核对于最终精度的影响，因此耗时会比较久

参数名	用途	是否必选项	默认值
pruning_ratio	卷积核裁剪比率	是
retraining_iters	裁剪完成后的重训练迭代数	是
config	配置文件	是
batch_size	重训练时的单卡batch size	否	配置文件中指定值
learning_rate	重训练时的学习率	否	配置文件中指定值
model_path	预训练模型参数路径	否
num_workers	重训练时用于异步读取数据的进程数量，大于等于1时开启子进程读取数据	否	0
save_dir	裁剪后模型的保存路径	否	output

# 请在PaddleSeg根目录运行
export PYTHONPATH=`pwd`
# windows下请执行以下命令
# set PYTHONPATH=%cd%

python slim/prune.py \
       --config configs/quick_start/bisenet_optic_disc_512x512_1k.yml \
       --pruning_ratio 0.2 \
       --model_path output/best_model/model.pdparams \
       --retraining_iters 100 \
       --save_dir prune_model

四、部署

通过量化和剪枝得到的模型，我们可以直接进行部署应用，相关教程请参考 模型部署

五、量化&剪枝加速比

    测试环境：
       GPU: V100
       CPU: Intel(R) Xeon(R) Gold 6148 CPU @ 2.40GHz
       CUDA: 10.2
       cuDNN: 7.6
       TensorRT: 6.0.1.5

    测试方法:
       1. 运行耗时为纯模型预测时间，测试图片cityspcaes(1024x2048)
       2. 预测10次作为热启动，连续预测50次取平均得到预测时间
       3. 使用GPU + TensorRT测试

模型	未量化运行耗时(ms)	量化运行耗时(ms)	加速比
deeplabv3_resnet50_os8	204.2	150.1	26.49%
deeplabv3p_resnet50_os8	147.2	89.5	39.20%
gcnet_resnet50_os8	201.8	126.1	37.51%
pspnet_resnet50_os8	266.8	206.8	22.49%

模型	裁剪率	运行耗时(ms)	加速比
fastscnn	-	7.0	-
	0.1	5.9	15.71%
	0.2	5.7	18.57%
	0.3	5.6	20.00%
fcn_hrnetw18	-	43.28	-
	0.1	40.46	6.51%
	0.2	40.41	6.63%
	0.3	38.84	10.25%
unet	-	76.04	-
	0.1	74.39	2.16%
	0.2	72.10	5.18%
	0.3	66.96	11.94%