【GiantPandaCV】人物属性模型移动端实验记录

Violet_恒源智享云

【GiantPandaCV导语】最近项目有需求，需要把人物属性用在移动端上，需要输出性别，颜值和年龄三个维度的标签, 用来做数据分析收集使用，对速度和精度有一定的需求，做了一些实验，记录如下。

一、模型

SingleHead

backbone+avgpool后面接一个卷积，卷积核为(inp, (gender_class+beauty_class+age_class), 3, 3)
backbone+avgpool后面接入一个channel shuff层, 再接入一个卷积，和第一种一样。

MutilHead

backbone+avgpool后面，接入三个FC，每个FC对应一个维度的任务。
backbone+avgpool后面，先接入一个SE模块后，接三个FC，每个FC对应一个维度的任务。
backbone+avgpool后面，接入一个512维度的FC，后接入三个FC，每个FC对应一个维度的任务。
backbone+avgpool后面，接入三个512维度的FC来做embeeding，后接入三个FC，每个FC对应一个维度的任务。

如下图所示:

图1-不同模型结构

训练：训练数据总计35w，每张图片都带有三个维度的标签，使用Horovod分布式框架进行训练，采用SGD优化器，warmup5个epoch，使用cosine进行衰减学习率，总计训练60个epoch，训练代码可以参考https://github.com/FlyEgle/cub_baseline。

实验对比：对于SingleHead模型，MutilHead的1，2模型，采用的是mobilenetv2作为backbone，对于MutilHead的3，4模型，采用的是mobilenetv2x0.5作为backbone。这里对比的baseline为resnest50的结果，结果如下：

图2-结果对比

结论：出于性能和速度的考虑，确定了以mbv2x0.5作为backbone，模型结构为mutilhead-4的模型。

二、蒸馏

mobilenetv2与resnest50在imagenet上的baseline大概相差8个点左右，所以我们自身的实验跑出来的结果也是在合理的范围内。为了进一步提升小模型的精度，选择用resnest50的模型来蒸馏mbv2x0.5的模型(ps:这里尝试过训练一个mbv2x2的模型，不过没有训的比resnest50高,所以还是使用resnest50)。蒸馏，采用的是传统的蒸馏方法，KL散度来作为损失，由于head相同，所以只需要考虑对logits蒸馏即可，KL散度代码如下：
class KLSoftLoss(nn.Module):
r"""Apply softtarget for kl loss

Arguments:
    reduction (str): "batchmean" for the mean loss with the p(x)*(log(p(x)) - log(q(x)))
"""
def __init__(self, temperature=1, reduction="batchmean"):
    super(KLSoftLoss, self).__init__()
    self.reduction = reduction
    self.eps = 1e-7
    self.temperature = temperature
    self.klloss = nn.KLDivLoss(reduction=self.reduction)

def forward(self, s_logits, t_logits):
    s_prob = F.log_softmax(s_logits / self.temperature, 1)
    t_prob = F.softmax(t_logits / self.temperature, 1)
    loss = self.klloss(s_prob, t_prob) * self.temperature * self.temperature
    return loss

训练：对于分类的问题，一般情况只是蒸馏输出的logits即可，由于多任务有多个head，所以会有多个logits，分别蒸馏即可，整体框架如下：

图4-蒸馏训练框架

蒸馏训练代码如下，由于学生和教师的网络差异性较大同时精度相差甚远，所以采用1：1的比例来进行训练，蒸馏的温度为25(T=5)：

图5-蒸馏训练代码

结论：采用了3中不同的分辨率进行蒸馏实验，其中训练的size为224，推理为256的时候效果最好。

三、剪枝

Slimming Prune，实验采用的剪枝方法是来自于Learning Efficient Convolutional Networks through Network Slimming，通过对BN的channel进行稀疏化来达到剪枝的效果(个人喜欢用比较简单稳定的方法，便于debug和修改)。

图6-Slimming

训练和剪枝

训练，训练代码很简单，只需要再更新权重之前进行稀疏化处理即可，sr是超参，一般设置为1e-4，代码如下:

optimizer.zero_grad()
  loss.backward()

   # use the slimming prune for training
  if args.prune and args.use_sr:
      for m in model.modules():
          if isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
              m.weight.grad.data.add_(args.sr * torch.sign(m.weight.data))

  optimizer.step()

剪枝, 由于模型结构是mobilenetv2的结构，有DW存在，所以，在剪枝的时候需要注意groups的数量和channel需要保持一致，同时，为了方便移动端优化加速，要保证channel是8的倍数，剪枝代码逻辑如下：
先设置一定的剪枝比例p,如0.1,0.2,0.3…,按BN的channel总数从小到大来进行过滤。
保留最大比例的最小阈值，防止prune过大，导致模型崩溃。
对于不满足8的倍数的channel，按8的倍数补齐，补齐的方法是对prune过的channel排序，从大到小按差值补齐。
保存除了第一个InvertedResidual模块以外的所有模块剪枝后的channel数量，重构模型。
测试结果，考虑是否进行finetune训练。

剪枝部分代码如下:

def prune_only_res_hidden(percent, model, keep_channel=True, channel_ratio=8, cuda=True):
    """only prune the inverResidual module first bn layer
    """
    total = 0
    highest_thre = []
    for m in model.modules():
        if isinstance(m, InvertedResidual):
            # only prune the 3 conv layer
            if len(m.conv) > 5:
                for i in range(len(m.conv)):
                    if i == 1:
                        if isinstance(m.conv[i], nn.BatchNorm2d):
                            total += m.conv[i].weight.data.shape[0]
                            highest_thre.append(m.conv[i].weight.data.abs().max().item())
                            total += m.conv[i+3].weight.data.shape[0]
                            highest_thre.append(m.conv[i+3].weight.data.abs().max().item())



    bn = torch.zeros(total)
    index = 0
    for m in model.modules():
        if isinstance(m, InvertedResidual):
            # only prune the 3 conv layer
            if len(m.conv) > 5:
                for i in range(len(m.conv)):
                    if i != len(m.conv) - 1:
                        if isinstance(m.conv[i], nn.BatchNorm2d):
                            size = m.conv[i].weight.data.shape[0]
                            bn[index:(index+size)] = m.conv[i].weight.data.abs().clone()
                            index += size

    print(bn.size())
    y, i = torch.sort(bn)
    thre_index = int(total * percent)
    thre = y[thre_index]
    highest_thre = min(highest_thre)

    # 判断阈值
    if thre > highest_thre:
        thre = highest_thre

    print("the min thre is {}, the max thre is {}!!!!".format(thre, highest_thre))
    pruned = 0
    c = {}
    cfg_mask = []
    idx = 0

    for m in model.modules():
        if isinstance(m, InvertedResidual):
            # only prune the 3 conv layer
            if len(m.conv) > 5:
                for i in range(len(m.conv)):
                    if i == 1:
                        if isinstance(m.conv[i], nn.BatchNorm2d):
                            weight_copy = m.conv[i].weight.data.clone()
                            if cuda:
                                mask = weight_copy.abs().gt(thre).float().cuda()
                            else:
                                mask = weight_copy.abs().gt(thre).float()

                            if keep_channel:
                                keep_channel_number = get_min_number(torch.sum(mask), channel_ratio)
                                if torch.sum(mask) < keep_channel_number:
                                    n = int(keep_channel_number - torch.sum(mask))
                                    mask_index = torch.where(mask==0)[0]
                                    new_weight = weight_copy.abs()[mask_index]
                                    _, weight_index = torch.sort(new_weight)
                                    w_index = mask_index[weight_index[-n: ]]
                                    mask[w_index] = 1.0

                            pruned = pruned + mask.shape[0] - torch.sum(mask)
                            # first conv + bn
                            m.conv[i].weight.data.mul_(mask)
                            m.conv[i].bias.data.mul_(mask)
                            # second conv + bn
                            m.conv[i+3].weight.data.mul_(mask)
                            m.conv[i+3].bias.data.mul_(mask)
                            c[idx] = int(torch.sum(mask))
                            cfg_mask.append(mask.clone())

                            print('layer index: {:d} \t total channel: {:d} \t remaining channel: {:d}'.format(idx, mask.shape[0], int(torch.sum(mask))))
                            idx += 1
    print(c)
    print(len(c))
    print(len(cfg_mask))
    # pruned_ratio = pruned / total
    print('Pre-processing Successful!!!')
    return model, cfg_mask, c

直接保存模型后测试，对比结果如下：

再次使用resnest50进行蒸馏后，对比结果如下：

添加2w标注的业务数据，总计训练数据37w，蒸馏后的结果如下:

针对性能的需求，考虑用0.3的版本，如果速度要求更快的话，考虑0.4的版本。

四、TODO

训练一个基于BYOL的pretrain模型。
把没有标注的数据，用模型打上伪标签后参与训练。
训练一个更大的teacher模型。
使用百度的JSDivLoss作为蒸馏损失。

五、结论

对于移动端的任务来说，蒸馏和剪枝是必不可少的，尤其是要去训练一个比较好的teacher，这里的teacher可以同结构也可以异结构，只要最后logits一致即可。
由于移动端会根据X8或者X4的倍数优化，所以剪枝的时候尽量保持channel的倍数，建议常备一种便于修改的剪枝代码。
小模型具备成长为大模型的潜质，只要训练方法适当。

结束语

本人才疏学浅，以上都是自己在做项目中的一些方法和实验，以及一些粗浅的思考，并不一定完全正确，只是个人的理解，欢迎大家指正，留言评论。

参考文献

mobilenetv2 https://export.arxiv.org/pdf/1801.04381
resnest https://export.arxiv.org/pdf/2004.08955
Slimming prune https://arxiv.org/pdf/1708.06519.pdf

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转载来源：公众号【GiantPandaCV】
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