大小仅17KB！小型风格迁移网络包含11686个训练权重

编译：chux

出品：ATYUN订阅号

现在有很多现成的训练艺术风格迁移模型的工具，大多数人使用Johnson等人描述的网络架构的变体来执行快速的前馈风格化。因此，大多数风格迁移模型都是7MB。

研究表明，神经网络通常比它们需要的大得多，它们所包含的数百万个权重中的许多都是无关紧要的。所以研究者创造仅有11,686个训练权重的17KB神经网络。

左：原始图像。中间：来自小型17KB模型的风格化图像。右：来自较大的7MB模型的风格化图像。

快速概览：

原型：

大小：7MB

权重：iPhone X上的速度：18 FPS

小模型：

大小：17KB

权重：iPhone X上的速度：29 FPS

如何缩小风格迁移模型

事实证明，制作一个小型模型实际上非常简单。研究者最终依赖于两种技术，这两种技术都推广到其他模型。

1.大量修剪层和权重。

2.通过量化将32位浮点权重转换为8位整数。

修剪策略

卷积神经网络通常包含在训练期间调整的数百万甚至数亿个权重。作为一般的经验法则，更多的权重意味着更高的准确性。但是交换效率非常低。谷歌MobileNetV2的库存配置有347万个权重，占用16MB的空间。该InceptionV3架构是2400万点的权重占用92MB大近6倍。尽管包含超过2000万个额外权重，但ImageNet上的InceptionV3排名前1的分类精度仅比MobileNetV2高7个百分点（80％VS 73％）。

因此，如果我们有一个神经网络，我们可以假设大多数权重都不是那么有用并删除它们。但是怎么做？有三种选择：修剪单个权重级别，层级别和块级别。

权重级别：正如我们所见，在某些神经网络中绝大多数（> 95％）训练过的权重都没有帮助。如果我们能够确定哪些权重实际上有助于网络准确性，我们可以保留这些权重并删除其余权重。

层级别：权重打包在单个层中。例如，2D卷积层具有称为内核的权重张量，具有用户定义的宽度，高度和深度。使内核更小会缩小整个网络的大小。

块级别：层通常组合成块，即可重复利用的子图。例如，ResNets名字来源于重复10到50次的“残余块”。块级别的修剪会在一次切割中删除多个层，从而删除参数。

在实践中，稀疏张量操作没有很好的实现，无法使权重级别有价值。希望将来在这方面做得更多。

在实践中修剪

研究者的图层修剪技术是引入宽度乘数作为超参数。谷歌首次在其着名的MobileNet论文中介绍，它既简单又有效。

宽度乘数通过恒定分数调整每个卷积层中的滤波器数量。对于给定的图层和宽度乘数alpha，过滤器的数量F变为alpha * F。

使用这个超参数，可以生成具有相同架构但权重数量不同的连续网络。训练每个配置，我们可以绘制模型的速度和大小与它的准确性之间的权衡。

让我们来看一个构建类似于Johnson等人描述的快速样式传递模型的方法，但这次，宽度乘数被添加为超参数：

alpha=1.0 ，生成的网络包含1.7M个权重。alpha=0.5 ，得到一个只有424,102个权重的网络。

你可以使用低宽度参数制作一些非常小的网络，但也有相当多的重复块。研究者决定将其中的一部分修剪掉。但在实践中发现无法删除太多。即使在保持参数数量固定的情况下，更深的网络也能产生更好的结果。最终删除了五个剩余块中的两个，并将每个层的默认过滤器数量减少到32。小型网络最终看起来是这样：

通过反复试验，研究者发现仍然可以通过上述架构实现良好的风格迁移，一直到0.3的宽度参数，每层留下9个滤波器。最终结果：一个只有11,868个权重的神经网络。任何低于10,000权重的东西都不能持续训练并产生不良的风格化图像。

值得一提的是，这种修剪技术是在网络训练之前应用的。通过在训练期间和训练后进行迭代修剪，您可以在许多任务上获得更好的性能。

量化

最后一段压缩是在网络训练完成之后。神经网络权重通常存储为64或32位浮点数。量化过程将这些浮点权重中的每一个映射到具有较低位宽的整数。从32位浮点权重到8位整数可以将存储大小减少4倍。

现在，每个主要的移动框架都支持量化，包括TensorFlow Mobile，TensorFlow Lite，Core ML和Caffe2Go。

最终结果

总而言之，我们的微型网络架构有11,868个参数，而Johnson的原始模型则为170万个。当转换为Core ML并进行量化时，最终大小仅为17KB，而原始大小为1.7MB，仅为原来的0.10％。以下是梵高星夜的训练结果。

尽管尺寸有400倍的差异，但在 iPhone X 上，小型模型的运行速度仅快了 50%。可能计算与这一通用架构相关，也可能是将图像在GPU上进行处理时造成的。

结论

研究者使用两种简单的技术将风格迁移神经网络的大小减少了99.9％。用简单的宽度乘数超参数修剪层，并且训练的权重从32位浮点数量化到8位整数。将来，这些方法可能会推广到其他神经网络。风格迁移很容易，因为准确性明显可见。对于图像识别这样的更可量化的任务，极端修剪后性能可能明显下降。

代码：github.com/fritzlabs/fritz-style-transfer/blob/master/example/starry_night_640x480_small_a03_q8.mlmodel