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彻底搞懂深度学习-模型压缩(减枝、量化、知识蒸馏)(动图讲解)

架构师带你玩转AI • 3 周前 • 68 次点击  
现代深度学习模型在追求高精度的同时,模型规模也在急剧增长。一个训练完成的基线模型(Baseline Model)虽然性能优异,但往往面临以下挑战:
(1)存储空间大:动辄几百MB甚至几GB的模型文件
(2)运行内存高:推理时需要大量内存存储中间结果
(3)计算复杂:推理延迟长,难以满足实时应用需求
(4)部署困难:无法在资源受限的边缘设备上运行
模型压缩技术正是为了解决这些问题而生,通过系统性的优化手段,将庞大的基线模型转换为轻量化的压缩模型(Compressed Model),最终实现三大关键目标:更小的模型尺寸(Smaller Size)、更快的推理速度(Faster Inference)、边缘设备部署能力(Deploy to Edge)。

一、剪枝(Pruning):移除冗余连接

剪枝(Pruning)如何移除冗余连接?

Neural Network Pruning | Nathan Hubens

剪枝技术基于一个重要发现:神经网络中存在大量对最终预测结果贡献微小的连接。通过识别并移除这些冗余连接,可以在保持模型性能的同时大幅减少参数量。

(1)结构化剪枝:移除整个神经元、通道或层

  • 优势:保持规整的网络结构,便于硬件优化
  • 劣势:压缩粒度较粗,压缩率相对较低

(2)非结构化剪枝:移除单个权重连接

  • 优势:压缩粒度细,可以达到更高的压缩率
  • 劣势:产生稀疏矩阵,硬件加速困难
Pruning Neural Networks | Towards Data Science



    
1. 重要性评估 → 计算每个连接/神经元的重要性分数2. 剪枝策略制定 → 确定剪枝比例和优先级3. 执行剪枝 → 移除低重要性的连接4. 微调恢复 → 通过继续训练补偿性能损失5. 迭代优化 → 重复上述过程直到满足要求

    二、量化(Quantization):降低数值精度

    量化技术(Quantization)如何降低数值精度?

    量化技术通过降低模型参数的数值精度来实现压缩。最常见的是将32位浮点数(FP32)转换为8位整数(INT8),在几乎不影响精度的情况下实现4倍的存储压缩和显著的计算加速

    (1)训练后量化(Post-training Quantization, PTQ)

    • 特点:在已训练模型基础上直接量化
    • 优势:实现简单,无需重新训练
    • 适用:对精度要求不是极其严格的场景

    (2)量化感知训练(Quantization-aware Training, QAT)

    • 特点:训练过程中模拟量化操作
    • 优势:精度损失更小,效果更好
    • 适用:对精度要求严格的关键应用

    大模型入门指南 - Quantization:小白也能看懂的“模型量化”全解析

    三、知识蒸馏(Knowledge Distillation):师生传承

    知识蒸馏(Knowledge Distillation)如何进行师生传承?

    知识蒸馏采用"教师-学生"模式,让大模型(教师)指导小模型(学生)学习。关键创新在于使用"软标签"而非传统的"硬标签"进行训练。

    (1)传统硬标签:[1, 0, 0] - 只告诉模型正确答案

    (2)软标签概率:[0.8, 0.15, 0.05] - 还包含类别间的相似性信息

    软标签包含了教师模型的"经验知识",帮助学生模型更好地理解数据的内在分布和特征关系。

    损失函数 = α × 蒸馏损失(软标签) + (1-α) × 任务损失(硬标签)

    通过平衡两种损失,学生模型既能学习真实任务目标,又能继承教师模型的知识经验。

    一文搞懂大模型的知识蒸馏(Knowledge Distillation)

    四、技术组合(蒸馏 + 剪枝 + 量化)

    如何进行技术组合(蒸馏 + 剪枝 + 量化)?
    虽然每种压缩技术都有其独特优势,但单独使用往往难以达到最佳效果。
    • 仅剪枝:主要减少参数量,但精度表示仍然冗余
    • 仅量化:降低存储和计算开销,但网络结构仍然复杂
    • 仅知识蒸馏:获得紧凑模型,但可能还有进一步优化空间

    根据实践经验,推荐的技术组合顺序为:知识蒸馏 → 剪枝 → 量化。

    第一阶段:知识蒸馏

    • 从基线模型开始,训练得到结构优化的小模型
    • 这一步解决了网络架构冗余问题
    • 为后续优化提供更好的起点

    第二阶段:剪枝优化

    • 在蒸馏得到的小模型基础上进行剪枝
    • 移除剩余的冗余连接和神经元
    • 进一步减少参数量和计算量

    第三阶段:量化压缩

    • 对剪枝后的模型进行量化
    • 实现最终的存储和计算优化
    • 获得部署就绪的压缩模型

    实际应用案例有哪些?

    案例1:移动端图像分类(手机相册自动分类功能)

    (1)原始模型:ResNet-50,98MB,95%准确率,150ms推理时间

    (2)优化流程

    • 知识蒸馏:ResNet-50→MobileNet-v3,25MB,93%准确率

    • 结构化剪枝:移除30%通道,18MB,92.5%准确率

    • INT8量化:最终6MB,92%准确率,35ms推理时间

    最终效果

    • 模型大小:98MB → 6MB(16倍压缩)
    • 推理速度:150ms → 35ms(4.3倍加速)
    • 准确率:95% → 92%(3%下降,用户无感知)

    模型压缩及移动端部署| QJun

    案例2:边缘设备语音识别(智能音箱离线语音识别)

    (1)原始模型:Transformer语音模型,200MB,延迟300ms

    (2)优化策略

    • 知识蒸馏:12层→6层,减少一半参数
    • 注意力头剪枝:16头→8头,保持关键信息
    • 混合精度量化:重要层INT8,一般层INT4

    部署效果

    • 模型大小:200MB → 15MB(13倍压缩)
    • 响应延迟:300ms → 80ms(3.8倍提升)
    • 识别准确率:96% → 94%(2%下降,满足需求)
    • 支持完全离线工作,无需网络连接

    在边缘设备上设计和部署深度神经网络的实用框架-电子发烧友网

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