「压缩率3000%」上交大ICCV：精度保证下的新型深度网络压缩框架

1新智元报道

随着人工智能在各个领域的应用中大放异彩，深度学习已经成为街头巷尾都能听到的词汇。然而，网络越来越深，数据越来越大，训练越来越久，如何在保证准确率的情况下加速网络，甚至让网络在CPU或者移动设备上进行训练与测试，就变成了迫在眉睫的问题。

上海交通大学人工智能实验室的研究人员发表了论文《基于高阶残差量化的高精度网络加速》（Performance Guaranteed Network Acceleration via High-Order Residual Quantization），提出一种新的方法，能够在保证网络模型精度的前提下对深度网络进行压缩。实验结果，他们将网络的大小降低了约32倍，速度上有30倍的提升。虽然以往的方法在体积和速度上也曾经取得类似的效果，但本论文提出的方法在精度保证上更胜一筹。

新的压缩方法HORQ：加快网络计算的同时保证准确率

除了网络pruning，网络稀疏近似等等，网络二值化也是常见的网络加速方式。通常情况下，我们用 +1 和 -1 来代替原来的浮点数数值，使得卷积中的乘法操作变成加减操作，而如果输入和权重同时二值化，乘法操作就会变成异或操作。

这看似是一种合理的网络压缩方式，然而如果单纯的运用阈值二值化方法对网络输入进行二值化处理，那么模型最后的精度将无法得到保证。但如果不运用二值化方法对网络进行加速，那么就又无法利用二值化所带来的在计算和存储方面的优势。

这篇文章提出的HORQ（High Order Residual Quantization）方法，提出了一种针对输入的高阶残差二值量化的方法，既能够利用二值化计算来加快网络的计算，又能够保证训练所得的二值化网络模型拥有较高的准确率。

图一展示了如何用HORQ方法将一个普通的卷积层进行残差量化。

图一 HORQ结构

之前的二值化方法，例如XNOR，对输入简单地采用了阈值量化的操作。这样的方法可以看成是对浮点数的一阶二值近似方法。在此之上，本文运用递归阈值量化的方法，提出了HORQ的框架。具体来讲，如图一所示，在第一次阈值量化操作后，我们可以定义并计算改阶近似对应的残差，然后对该阶残差进行新一轮的二值近似。通过对高阶残差的近似，我们可以得到对应于不同尺度下的二值feature map。将这些feature map相加，便可得到最终的输出。

实验结果

这篇文章的实验部分在MNIST和CIFAR-10数据集上进行测试，发现HORQ-net对比之前对输入简单采取一阶阈值二值化的方法有喜人的优势：

图二 MNIST实验

图三 Cifar-10实验

我们发现，对于二阶残差量化方法，该方法将网络的大小降低了约32倍，同时速度上有30倍的提升，相比XNOR-net在两个MNIST和CIFAR-10上测试准确率均有提升，并且展现出了可在CPU上进行网络训练的潜能。

图四 HORQ方法加速比性能分析

图五 HORQ方法加速比与量化阶数分析

HORQ方法对卷积层计算的的加速比跟卷积核大小，feature map数量，以及残差量化的阶数都有较大关系。这些关系体现在图四和图五中。而且，如图六所示，基于二值化的模型存储空间可以得到大幅度的降低。

结语

该论文提出的HORQ方法可以作为一个基础的二值量化的方法，用于网络的输入二值化中，能够在保证网络模型精度的前提下，利用二值量化的技术提升网络的计算速度，而且同时可以根据实际的硬件需要来调整残差阶数以适应需求。

这个方法有着很大的发展和使用前景。对于一般的深度学习网络，HORQ方法能能够很大程度上加速深度网络的计算速度。由于网络的每层输入的输入和权值都被二值化，模型的前向传播时间得到大大降低，同时存储模型所需的空间得到大大压缩，使得在资源受限的小运算平台，例如手机和笔记本上运行大规模深度网络模型成为可能。另外，高阶残差量化的方法能够使得网络精度的得到保证，使得网络不再会因为简单二值化方法而出现精度大幅下降。

该论文已经被ICCV2017接收，由上海交通大学人工智能实验室李泽凡博士实现，倪冰冰教授，张文军教授，杨小康教授，高文院士指导。

相关论文 Performance Guaranteed Network Acceleration via High-Order Residual Quantization 将在ICCV发表，详情可届时查看。

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