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模型减肥秘籍：模型压缩技术 CNN基础

article 2024/11/14 0:00:49

这里是Datawhale的组队学习活动，主要介绍的是模型压缩技术。后续将以CNN网络为基础点，带领大家领略模型压缩的魅力。首先是回顾一下一些关于CNN的基础知识。

参考链接：

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CNN介绍

CNN网络，即卷积神经网络(Convolutional Neural Network)，是一类特别为处理具有类似网格结构的数据设计的深度学习网络，比如图像（2D网格）和声音信号（1D网格）。CNN在图像和视频识别、图像分类、医学图像分析等领域取得了显著的成功。

核心组成

CNN的核心思想是利用卷积层来自动并有效地提取输入数据的特征，无需手动特征提取。这些特征通过网络的多个层次被逐渐抽象和组合，用以执行分类、检测或分割等任务。CNN通常包含以下类型的层：

卷积层（Convolutional Layers）：这些层通过卷积运算提取输入数据的局部特征，每个卷积层有多个卷积核（Kernel），能够产生不同的特征图（Feature Maps）。
激活层（Activation Layers）：通常跟在卷积层后面，引入非线性，使得网络可以学习更加复杂的特征。最常用的激活函数是ReLU（Rectified Linear Unit）。
池化层（Pooling Layers）：这些层用于降低特征图的空间尺寸，减少后续层的参数数量和计算量，同时使特征检测变得更加稳定。
全连接层（Fully Connected Layers）：通常位于CNN的末端，将卷积层或池化层输出的高维特征向量转换为最终的输出，如分类标签。

优点

CNN通过层的叠加和组合，能够自动并有效地从原始数据中学习到有用的特征表示，避免了传统机器学习方法中手工特征提取的繁琐过程。具有如下优点：

局部连接：卷积层中的神经元仅与输入数据的一个局部区域相连接，这使得网络专注于局部特征，并增强了模型的空间利用率。
参数共享：通过卷积层中的卷积核重复使用同一组参数，CNN能够以较少的参数量处理大规模输入数据。
平移不变性：通过池化层，CNN能够对输入数据的小范围平移保持不变性，这对于识别图像中的对象特别重要。

这三个优点其实也对应了图像识别中的三个观察：

观察 1：检测模式不需要整张图像

神经元不需要把整张图像当作输入，只需要把图像的一小部分当作输入，就足以让它们检测某些特别关键的模式是否出现，而不用采取全连接的方式将整个图像传入神经元。

简化 1：感受野

根据观察1 可以做第1个简化，卷积神经网络会设定一个区域，即感受野（receptive f ield），每个神经元都只关心自己的感受野里面发生的事情。

观察 2：同样的模式可能会出现在图像的不同区域

第2个观察是同样的模式，可能会出现在图像的不同区域。比如说模式鸟嘴，它可能出现在图像的左上角，也可能出现在图像的中间。

简化 2：共享参数

既然要检测的模式是一样的，只是检测的区域不同，那么其实可以共享神经元的参数。

上面感受野的第1个神经元会跟下面感受野的第1个神经元共用参数，上面感受野的第2个神经元跟下面感受野的第2个神经元共用参数······ 所以每个感受野都只有一组参数而已，这些参数称为滤波器（filter）。

接下来通过另一个角度来说明卷积神经网络。一个卷积层里面就是有一排的滤波器，每个滤波器都是一个3×3×通道，其作用是要去图像里面检测某个模式。这些模式要在3×3×通道，这个小的范围内，它才能够被这些滤波器检测出来。

滤波器就是一个一个的张量，这些张量里面的数值就是模型里面的参数。这些滤波器里面的数值其实是未知的，它是可以通过学习找出来的。

第1个版本的故事里面说到了有一些神经元，这些神经元会共用参数，这些共用的参数就是第2个版本的故事里面的滤波器。

在第1个版本的故事里面，不同的神经元可以共享权重，去守备不同的范围。而共享权重其实就是用滤波器扫过一张图像，这个过程就是卷积。这就是卷积层名字的来。把滤波器扫过图像就相当于不同的感受野神经元可以共用参数，这组共用的参数就叫做一个滤波器。

观察 3：下采样不影响模式检测

把一张比较大的图像做下采样（downsampling），把图像偶数的列都拿掉，奇数的行都拿掉，图像变成为原来的1/4，但是不会影响里面是什么东西。例如，把一张大的鸟的图像缩小，这张小的图像还是一只鸟。

简化 3：汇聚

根据第3个观察，汇聚被用到了图像识别中。汇聚没有参数，所以它不是一个层，它里面没有权重，它没有要学习的东西，汇聚比较像Sigmoid、ReLU等激活函数。因为它里面是没有要学习的参数的，它就是一个操作符（operator），其行为都是固定好的，不需要根据数据学任何东西。每个滤波器都产生一组数字，要做汇聚的时候，把这些数字分组，可以2×2个一组，3×3、4×4也可以，这个是我们自己决定的，图4.27中的例子是2×2个一组。汇聚有很多不同的版本，以最大汇聚（max pooling）为例。最大汇聚在每一组里面选一个代表，选的代表就是最大的一个，如图4.28所示。除了最大汇聚，还有平均汇聚（meanpooling），平均汇聚是取每一组的平均值。