上交大ICCV：精度保證下的新型深度網路壓縮框架，壓縮率3000％

既能夠利用二值化計算來加快網路的計算，又能夠保證訓練所得的二值化網路模型較高的準確率

新智元報道

作者：楊蕊，上海交通大學人工智慧實驗室

編輯：聞菲

【新智元導讀】上海交通大學人工智慧實驗室的研究人員提出了一種新的方法，能夠在保證網路模型精度的前提下對深度網路進行壓縮。相關論文已被ICCV 2017接收，由上海交通大學人工智慧實驗室李澤凡博士實現，倪冰冰教授，張文軍教授，楊小康教授，高文院士指導。

隨著人工智慧在各個領域的應用中大放異彩，深度學習已經成為街頭巷尾都能聽到的辭彙。然而，網路越來越深，數據越來越大，訓練越來越久，如何在保證準確率的情況下加速網路，甚至讓網路在CPU或者移動設備上進行訓練與測試，就變成了迫在眉睫的問題。

上海交通大學人工智慧實驗室的研究人員發表了論文《基於高階殘差量化的高精度網路加速》（Performance Guaranteed Network Acceleration via High-Order Residual Quantization），提出一種新的方法，能夠在保證網路模型精度的前提下對深度網路進行壓縮。實驗結果，他們將網路的大小降低了約32倍，速度上有30倍的提升。雖然以往的方法在體積和速度上也曾經取得類似的效果，但本論文提出的方法在精度保證上更勝一籌。

新的壓縮方法HORQ：加快網路計算的同時保證準確率

除了網路pruning，網路稀疏近似等等，網路二值化也是常見的網路加速方式。通常情況下，我們用 +1 和 -1 來代替原來的浮點數數值，使得卷積中的乘法操作變成加減操作，而如果輸入和權重同時二值化，乘法操作就會變成異或操作。

這看似是一種合理的網路壓縮方式，然而如果單純的運用閾值二值化方法對網路輸入進行二值化處理，那麼模型最後的精度將無法得到保證。但如果不運用二值化方法對網路進行加速，那麼就又無法利用二值化所帶來的在計算和存儲方面的優勢。

這篇文章提出的HORQ（High Order Residual Quantization）方法，提出了一種針對輸入的高階殘差二值量化的方法，既能夠利用二值化計算來加快網路的計算，又能夠保證訓練所得的二值化網路模型擁有較高的準確率。

圖一展示了如何用HORQ方法將一個普通的卷積層進行殘差量化。

圖一 HORQ結構

之前的二值化方法，例如XNOR，對輸入簡單地採用了閾值量化的操作。這樣的方法可以看成是對浮點數的一階二值近似方法。在此之上，本文運用遞歸閾值量化的方法，提出了HORQ的框架。具體來講，如圖一所示，在第一次閾值量化操作後，我們可以定義並計算改階近似對應的殘差，然後對該階殘差進行新一輪的二值近似。通過對高階殘差的近似，我們可以得到對應於不同尺度下的二值feature map。將這些feature map相加，便可得到最終的輸出。

實驗結果

這篇文章的實驗部分在MNIST和CIFAR-10數據集上進行測試，發現HORQ-net對比之前對輸入簡單採取一階閾值二值化的方法有喜人的優勢：

圖二 MNIST實驗

圖三 Cifar-10實驗

我們發現，對於二階殘差量化方法，該方法將網路的大小降低了約32倍，同時速度上有30倍的提升，相比XNOR-net在兩個MNIST和CIFAR-10上測試準確率均有提升，並且展現出了可在CPU上進行網路訓練的潛能。

圖四 HORQ方法加速比性能分析

圖五 HORQ方法加速比與量化階數分析

HORQ方法對卷積層計算的的加速比跟卷積核大小，feature map數量，以及殘差量化的階數都有較大關係。這些關係體現在圖四和圖五中。而且，如圖六所示，基於二值化的模型存儲空間可以得到大幅度的降低。

結語

該論文提出的HORQ方法可以作為一個基礎的二值量化的方法，用於網路的輸入二值化中，能夠在保證網路模型精度的前提下，利用二值量化的技術提升網路的計算速度，而且同時可以根據實際的硬體需要來調整殘差階數以適應需求。

這個方法有著很大的發展和使用前景。對於一般的深度學習網路，HORQ方法能能夠很大程度上加速深度網路的計算速度。由於網路的每層輸入的輸入和權值都被二值化，模型的前向傳播時間得到大大降低，同時存儲模型所需的空間得到大大壓縮，使得在資源受限的小運算平台，例如手機和筆記本上運行大規模深度網路模型成為可能。另外，高階殘差量化的方法能夠使得網路精度的得到保證，使得網路不再會因為簡單二值化方法而出現精度大幅下降。

該論文已經被ICCV2017接收，由上海交通大學人工智慧實驗室李澤凡博士實現，倪冰冰教授，張文軍教授，楊小康教授，高文院士指導。

相關論文 Performance Guaranteed Network Acceleration via High-Order Residual Quantization 將在ICCV發表，詳情可屆時查看。

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