京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
文章来源:DeepHub IMBA
作者: P**nHub兄弟网站
学习如何通过剪枝来使你的模型变得更小
剪枝是一种模型优化技术,这种技术可以消除权重张量中不必要的值。这将会得到更小的模型,并且模型精度非常接近标准模型。
在本文中,我们将通过一个例子来观察剪枝技术对最终模型大小和预测误差的影响。
我们的第一步导入一些工具、包:
最后,初始化TensorBoard,这样就可以将模型可视化:
import os import zipfile import tensorflow as tf import tensorflow_model_optimization as tfmot from tensorflow.keras.models import load_model from tensorflow import keras %load_ext tensorboard
在这个实验中,我们将使用scikit-learn生成一个回归数据集。之后,我们将数据集分解为训练集和测试集:
from sklearn.datasets import make_friedman1 X, y = make_friedman1(n_samples=10000, n_features=10, random_state=0) from sklearn.model_selection import train_test_split X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.33, random_state=42)
我们将创建一个简单的神经网络来预测目标变量y,然后检查均值平方误差。在此之后,我们将把它与修剪过的整个模型进行比较,然后只与修剪过的Dense层进行比较。
接下来,在30个训练轮次之后,一旦模型停止改进,我们就使用回调来停止训练它。
early_stop = keras.callbacks.EarlyStopping(monitor=’val_loss’, patience=30)
我们打印出模型概述,以便与运用剪枝技术的模型概述进行比较。
model = setup_model() model.summary()
让我们编译模型并训练它。
tf.keras.utils.plot_model( model, to_file=”model.png”, show_shapes=True, show_layer_names=True, rankdir=”TB”, expand_nested=True, dpi=96, )
现在检查一下均方误差。我们可以继续到下一节,看看当我们修剪整个模型时,这个误差是如何变化的。
from sklearn.metrics import mean_squared_error predictions = model.predict(X_test) print(‘Without Pruning MSE %.4f’ % mean_squared_error(y_test,predictions.reshape(3300,))) Without Pruning MSE 0.0201
当把模型部署到资源受限的边缘设备(如手机)时,剪枝等优化模型技术尤其重要。
我们将上面的MSE与修剪整个模型得到的MSE进行比较。第一步是定义剪枝参数。权重剪枝是基于数量级的。这意味着在训练过程中一些权重被转换为零。模型变得稀疏,这样就更容易压缩。由于可以跳过零,稀疏模型还可以加快推理速度。
预期的参数是剪枝计划、块大小和块池类型。
from tensorflow_model_optimization.sparsity.keras import ConstantSparsity
pruning_params = {
'pruning_schedule': ConstantSparsity(0.5, 0),
'block_size': (1, 1),
'block_pooling_type': 'AVG'
}
现在,我们可以应用我们的剪枝参数来修剪整个模型。
from tensorflow_model_optimization.sparsity.keras import prune_low_magnitude model_to_prune = prune_low_magnitude( keras.Sequential([ tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu', input_shape=(X_train.shape[1],)), tf.keras.layers.Dense(1, activation='relu') ]), **pruning_params)
我们检查模型概述。将其与未剪枝模型的模型进行比较。从下图中我们可以看到整个模型已经被剪枝 —— 我们将很快看到剪枝一个稠密层后模型概述的区别。
model_to_prune.summary()
在TF中,我们必须先编译模型,然后才能将其用于训练集和测试集。
model_to_prune.compile(optimizer=’adam’, loss=tf.keras.losses.mean_squared_error, metrics=[‘mae’, ‘mse’])
由于我们正在使用剪枝技术,所以除了早期停止回调函数之外,我们还必须定义两个剪枝回调函数。我们定义一个记录模型的文件夹,然后创建一个带有回调函数的列表。
tfmot.sparsity.keras.UpdatePruningStep()
使用优化器步骤更新剪枝包装器。如果未能指定剪枝包装器,将会导致错误。
tfmot.sparsity.keras.PruningSummaries()
将剪枝概述添加到Tensorboard。
log_dir = ‘.models’ callbacks = [ tfmot.sparsity.keras.UpdatePruningStep(), # Log sparsity and other metrics in Tensorboard. tfmot.sparsity.keras.PruningSummaries(log_dir=log_dir), keras.callbacks.EarlyStopping(monitor=’val_loss’, patience=10) ]
有了这些,我们现在就可以将模型与训练集相匹配了。
model_to_prune.fit(X_train,y_train,epochs=100,validation_split=0.2,callbacks=callbacks,verbose=0)
在检查这个模型的均方误差时,我们注意到它比未剪枝模型的均方误差略高。
prune_predictions = model_to_prune.predict(X_test) print(‘Whole Model Pruned MSE %.4f’ % mean_squared_error(y_test,prune_predictions.reshape(3300,))) Whole Model Pruned MSE 0.1830
现在让我们实现相同的模型,但这一次,我们将只剪枝稠密层。请注意在剪枝计划中使用多项式衰退函数。
from tensorflow_model_optimization.sparsity.keras import PolynomialDecay
layer_pruning_params = {
'pruning_schedule': PolynomialDecay(initial_sparsity=0.2,
final_sparsity=0.8, begin_step=1000, end_step=2000),
'block_size': (2, 3),
'block_pooling_type': 'MAX'
}
model_layer_prunning = keras.Sequential([
prune_low_magnitude(tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu',input_shape=(X_train.shape[1],)),
**layer_pruning_params),
tf.keras.layers.Dense(1, activation='relu')
])
从概述中我们可以看到只有第一个稠密层将被剪枝。
model_layer_prunning.summary()
然后我们编译并拟合模型。
model_layer_prunning.compile(optimizer=’adam’, loss=tf.keras.losses.mean_squared_error, metrics=[‘mae’, ‘mse’]) model_layer_prunning.fit(X_train,y_train,epochs=300,validation_split=0.1,callbacks=callbacks,verbose=0)
现在,让我们检查均方误差。
layer_prune_predictions = model_layer_prunning.predict(X_test) print(‘Layer Prunned MSE %.4f’ % mean_squared_error(y_test,layer_prune_predictions.reshape(3300,))) Layer Prunned MSE 0.1388
由于我们使用了不同的剪枝参数,所以我们无法将这里获得的MSE与之前的MSE进行比较。如果您想比较它们,那么请确保剪枝参数是相同的。在测试时,对于这个特定情况,layer_pruning_params给出的错误比pruning_params要低。比较从不同的剪枝参数获得的MSE是有用的,这样你就可以选择一个不会使模型性能变差的MSE。
现在让我们比较一下有剪枝和没有剪枝模型的大小。我们从训练和保存模型权重开始,以便以后使用。
def train_save_weights():
model = setup_model()
model.compile(optimizer='adam',
loss=tf.keras.losses.mean_squared_error,
metrics=['mae', 'mse'])
model.fit(X_train,y_train,epochs=300,validation_split=0.2,callbacks=callbacks,verbose=0)
model.save_weights('.models/friedman_model_weights.h5')
train_save_weights()
我们将建立我们的基础模型,并加载保存的权重。然后我们对整个模型进行剪枝。我们编译、拟合模型,并在Tensorboard上将结果可视化。
base_model = setup_model()
base_model.load_weights('.models/friedman_model_weights.h5') # optional but recommended for model accuracy
model_for_pruning = tfmot.sparsity.keras.prune_low_magnitude(base_model)
model_for_pruning.compile(
loss=tf.keras.losses.mean_squared_error,
optimizer='adam',
metrics=['mae', 'mse']
)
model_for_pruning.fit(
X_train,
y_train,
callbacks=callbacks,
epochs=300,
validation_split = 0.2,
verbose=0
)
%tensorboard --logdir={log_dir}
以下是TensorBoard的剪枝概述的快照。
在TensorBoard上也可以看到其它剪枝模型概述
现在让我们定义一个计算模型大小函数
def get_gzipped_model_size(model,mode_name,zip_name): # Returns size of gzipped model, in bytes. model.save(mode_name, include_optimizer=False) with zipfile.ZipFile(zip_name, 'w', compression=zipfile.ZIP_DEFLATED) as f: f.write(mode_name) return os.path.getsize(zip_name)
现在我们定义导出模型,然后计算大小。
对于剪枝过的模型,tfmot.sparsity.keras.strip_pruning()用来恢复带有稀疏权重的原始模型。请注意剥离模型和未剥离模型在尺寸上的差异。
model_for_export = tfmot.sparsity.keras.strip_pruning(model_for_pruning)
print("Size of gzipped pruned model without stripping: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(model_for_pruning,'.models/model_for_pruning.h5','.models/model_for_pruning.zip')))
print("Size of gzipped pruned model with stripping: %.2f bytes" % (get_gzipped_model_size(model_for_export,'.models/model_for_export.h5','.models/model_for_export.zip')))
Size of gzipped pruned model without stripping: 6101.00 bytes Size of gzipped pruned model with stripping: 5140.00 bytes
对这两个模型进行预测,我们发现它们具有相同的均方误差。
model_for_prunning_predictions = model_for_pruning.predict(X_test)
print('Model for Prunning Error %.4f' % mean_squared_error(y_test,model_for_prunning_predictions.reshape(3300,)))
model_for_export_predictions = model_for_export.predict(X_test)
print('Model for Export Error %.4f' % mean_squared_error(y_test,model_for_export_predictions.reshape(3300,)))
Model for Prunning Error 0.0264 Model for Export Error 0.0264
您可以继续测试不同的剪枝计划如何影响模型的大小。显然这里的观察结果不具有普遍性。也可以尝试不同的剪枝参数,并了解它们如何影响您的模型大小、预测误差/精度,这将取决于您要解决的问题。
为了进一步优化模型,您可以将其量化。如果您想了解更多,请查看下面的回购和参考资料。
作者:Derrick Mwiti
deephub翻译组:钱三一
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
数据收集是数据分析、数据挖掘与数字化运营的源头工作,数据收集的完整性、准确性、时效性直接决定后续数据分析结果的可信度与业 ...
2026-09-21箱线图是数据分析中用于识别数据分布、判断离散程度、筛查异常值的核心图表。相比于直方图、趋势图,箱线图可以精准区分正常数据 ...
2026-09-21 很多数据分析师精通Excel函数和数据透视表,但当被问到“数据从哪里来”“表和视图有什么区别”“数据库管理系统和SQL是什么 ...
2026-09-21在数据库数据查询与数据分析工作中,日期时间是最常用的数据类型之一。原始数据库中存储的日期格式多为标准时间戳、年月日时分秒 ...
2026-09-20在时序数据分析中,增长率是衡量数据涨跌幅度、研判发展趋势、识别周期波动的核心指标,主要分为环比增长率与同比增长率。传统Ex ...
2026-09-20 很多企业团队并非缺乏指标,而是陷入“指标失控”:仪表盘上堆满实时跳动的数据,却无法回答“当前瓶颈在哪、下一步该做什么 ...
2026-09-20CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 STP模型(营销战略三步法) 定义: 现代营销战略核心框架,通过市场细分(S)、目标市场选择( ...
2026-09-18在互联网产品迭代、运营优化、界面改版与策略升级过程中,主观经验判断容易造成决策偏差、盲目改版、资源浪费等问题。AB实验(AB ...
2026-09-18 很多企业并不缺少指标,缺少的是让指标“串起来、动起来、用起来”的体系。零散指标像散落一地的珠子,指标体系则是那根把珠 ...
2026-09-18在电商行业精细化运营时代,流量红利逐步消退,粗放式投流、广撒网营销模式已无法适配市场竞争需求。依托用户点击、加购、收藏、 ...
2026-09-17在数据可视化与数据分析工作中,图表是将零散数据转化为直观业务规律的核心工具。不同图表拥有专属的数据逻辑与分析维度,能够从 ...
2026-09-17 很多数据分析师每天盯着GMV、DAU、转化率,但当被问到“哪些指标在所有行业都适用”“哪些指标只对电商有意义”“二者如何搭 ...
2026-09-17在企业数字化运营、业务流程管理与精细化管控体系中,流程运营是串联各项业务环节、保障工作落地、提升运转效率的核心载体。无论 ...
2026-09-16在数据分析与统计学研究中,卡方检验是分析分类变量关联性与差异性的重要方法,广泛应用于市场调研、行为统计、社会调查、商业数 ...
2026-09-16 很多数据分析师每天盯着GMV、DAU、转化率,但当被问到“什么是指标”“指标和维度有什么区别”“如何定义指标值的计算规则和 ...
2026-09-16CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 定义: 用户增长核心分析框架,刻画用户从接触产品到自发推荐的全生命周期,五个递进环节构建 ...
2026-09-15在数字化营销与精细化用户运营时代,企业传统的广撒网式营销模式成本高、转化率低,已无法适配精准商业竞争需求。客户画像作为大 ...
2026-09-15 很多数据分析师精通描述性统计,能熟练计算均值、中位数、标准差,但当被问到“用500个样本如何推断10万用户的真实满意度” ...
2026-09-15在MySQL数据库数据查询与数据分析中,GROUP BY与ORDER BY是使用频率极高的核心关键字。二者语法结构相似,常搭配使用,但核心功 ...
2026-09-14随着数字化治理、智慧运营、数字孪生技术的普及,数字体征成为衡量业务状态、系统运行、城市治理与企业经营健康度的核心体系。数 ...
2026-09-14