《Learning to Prune Filters in Convolutional Neural Networks》论文笔记-优快云博客

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提出一种try-and-learn算法，用于训练剪枝代理，以数据驱动方式移除CNN多余滤波器，保持网络精度的同时大幅减少网络规模。

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1. 概述

这篇文章提出了一种“try-and-learn”的算法去训练pruning agent，并用它使用数据驱动的方式去移除CNN网络中多余的filters。借助新的奖励机制，agent可以大量移除CNN网络中的filters，并且保持网络的精度在期望的水平内。在网络性能和规模上提供了很好的操控性。
这篇文章中的方法具有如下特点：
1）使用数据驱动的方法去剪枝。并且通过实验数据驱动方法剪枝的效果是好于手工设置的剪枝条件（类似L1与L2范数）；
2）文章的方法在网络的性能与规模上在剪枝期间提供了很好地操控性。当确定了网络的期望性能之后，本文的方法可以实现完全自动实现网络剪枝。

为了实现这样的目标，论文中将剪枝问题转化为了“try-and-learn”的学习任务。也就是训练一个pruning agent，使用神经网络建模，输入filter的权重输出该filter是否保留的二值标识。该agent是使用新的奖励机制（尽可能高的裁剪比例）来训练，同时保持网络性能保持在特定的水平上。
直观地把论文中的方法看作是一个“try-and-learn”的过程，最开始的时候从全部的filter中随机剪枝一个，每次进行剪枝操作会通过奖励机制评估。这个评估会返回给agent，这迫使agent去产生更高的回馈。但是这样的操作的可执行空间是很大的，对于有64个filter的层，可能性就有 $2^{64}$ ，论文中给出了一种高效的算法来解决。

2. 网络剪裁

2.1 单层网络剪裁

这里对拥有 $L$ 层卷积的CNN网络使用 $l$ 表示，用 $N_l$ 表示第 $l^{th}$ 层中filter的数量，filter的矩阵可以表示为 $Wl={w1l,w2l,…,wNll}W^l=\{w_1^l,w_2^l,\dots,w_{N_l}^l\}$ ，其中 $wil∈Rml∗h∗ww_i^l\in R^{m^l*h*w}$ ，需要训练的agent用 $πl\pi^l$ 表示，它用 $W^l$ 作为输入，产生操作的二值标识， $Al={a1l,a2l,…,aNll}A^l=\{a_1^l,a_2^l,\dots,a_{N_l}^l\}$ ，对于agent $πl\pi^l$ 使用参数 $θl\theta^l$ 参数化，则就可以表示为 $πl(Al∣Wl,θl)\pi^l(A^l | W^l,\theta^l)$ 。
对于这个训练任务给定验证集 $X_{val}=\{x_{val}, y_{val}\}$ ，优化的目标函数是 $L=R(A^l, X_{val})$ ，其中 $R$ 是由两部分组成的，一个是accuracy term，另外一个是efficiency term。
$R(Al,Xval)=ψ(Al,Xval,b,p∗)∗ϕ(Al)R(A^l, X_{val})=\psi(A^l,X_{val},b,p^*)*\phi(A^l)$
对于 accuracy term ，它保证在验证集上性能的下降在度量 $M$ 下下降的边界是 $b$ ， $b$ 这个参数是用来调控剪裁力度与网络性能的。参数 $p^*$ 是原始网络 $f$ 的性能， $p^\hat{p}$ 是剪裁之后新网络 $fAl^\hat{f_{A^l}}$ 的性能。当然在剪裁之后是需要经过训练集finetune再去测量剪裁之后网络的性能的。度量指标 $M$ 在分类问题中就代表准确率，在分割问题中就代表全部的准确率。那么这部分就可以描述为如下的形式：
$ψ(Al,Xval,b,p∗)=b−(p∗−p^)b\psi(A^l,X_{val},b,p^*)=\frac{b-(p^*-\hat{p})}{b}$
$p^=M(f^Al,Xval),p∗=M(f,Xval)\hat{p}=M(\hat{f}_{A^l}, X_{val}), p^*=M(f, X_{val})$
对于 efficiency term ， $C(A^l)$ 代表其中值为1（也就是被保留）的数量，然后其可以使用下面的算式进行度量：
$ϕ(Al)=log(NlC(Al))\phi(A^l)=log(\frac{N^l}{C(A^l)})$
之前提到agent中使用参数 $θ\theta$ ，那么整个的目标函数就可以使用梯度下降法进行求解，
在这里插入图片描述
那么整个层的裁剪算法就可以被描述为：

2.2 多层网络裁剪

对于整个网络中的agent使用 $π={π1,π2,…,πL}\pi=\{ \pi^1,\pi^2,\dots,\pi^L\}$ 进行表示。其剪枝的策略还是逐层进行的，每剪完一层就进行finetune进行回血，之后再剪下一层，这样一层一层，剪裁比例从小到大得到的剪枝结果是好于一次性剪除所有layer中的filter的。
在这里插入图片描述