yolov5模型剪枝

2022-1-4: 已更新v5.0版本m/l/x模型剪枝,理论上yolov5l6等模型也支持.

2022-1-1: 已更新v6.0版本剪枝:https://github.com/midasklr/yolov5prune/tree/v6.0

2021-12-14:近期会更新v6.0版本剪枝和蒸馏.

基于yolov5最新v5.0进行剪枝，采用yolov5s模型,目前仅支持s模型。

相关原理：

Learning Efficient Convolutional Networks Through Network Slimming（https://arxiv.org/abs/1708.06519）

Pruning Filters for Efficient ConvNets（https://arxiv.org/abs/1608.08710）

相关原理见https://blog.csdn.net/IEEE_FELLOW/article/details/117236025

这里实验了三种剪枝方式

剪枝方法1

基于BN层系数gamma剪枝。

在一个卷积-BN-激活模块中，BN层可以实现通道的缩放。如下：

<p align="center"> <img src="img/Screenshot from 2021-05-25 00-26-23.png"> </p>

BN层的具体操作有两部分：

<p align="center"> <img src="img/Screenshot from 2021-05-25 00-28-15.png"> </p>

在归一化后会进行线性变换，那么当系数gamma很小时候，对应的激活（Zout）会相应很小。这些响应很小的输出可以裁剪掉，这样就实现了bn层的通道剪枝。

通过在loss函数中添加gamma的L1正则约束，可以实现gamma的稀疏化。

<p align="center"> <img src="img/Screenshot from 2021-05-25 00-28-52.png"> </p>

上面损失函数L右边第一项是原始的损失函数，第二项是约束，其中g(s) = |s|，λ是正则系数，根据数据集调整

实际训练的时候，就是在优化L最小，依据梯度下降算法：

​ 𝐿′=∑𝑙′+𝜆∑𝑔′(𝛾)=∑𝑙′+𝜆∑|𝛾|′=∑𝑙′+𝜆∑𝛾∗𝑠𝑖𝑔𝑛(𝛾)

所以只需要在BP传播时候，在BN层权重乘以权重的符号函数输出和系数即可，对应添加如下代码:

            # Backward
            loss.backward()
            # scaler.scale(loss).backward()
            # # ============================= sparsity training ========================== #
            srtmp = opt.sr*(1 - 0.9*epoch/epochs)
            if opt.st:
                ignore_bn_list = []
                for k, m in model.named_modules():
                    if isinstance(m, Bottleneck):
                        if m.add:
                            ignore_bn_list.append(k.rsplit(".", 2)[0] + ".cv1.bn")
                            ignore_bn_list.append(k + '.cv1.bn')
                            ignore_bn_list.append(k + '.cv2.bn')
                    if isinstance(m, nn.BatchNorm2d) and (k not in ignore_bn_list):
                        m.weight.grad.data.add_(srtmp * torch.sign(m.weight.data))  # L1
                        m.bias.grad.data.add_(opt.sr*10 * torch.sign(m.bias.data))  # L1
            # # ============================= sparsity training ========================== #

            optimizer.step()
                # scaler.step(optimizer)  # optimizer.step
                # scaler.update()
            optimizer.zero_grad()

这里并未对所有BN层gamma进行约束，详情见yolov5s每个模块 https://blog.csdn.net/IEEE_FELLOW/article/details/117536808 分析，这里对C3结构中的Bottleneck结构中有shortcut的层不进行剪枝，主要是为了保持tensor维度可以加：

<p align="center"> <img src="img/Screenshot from 2021-05-27 22-20-33.png"> </p>

实际上，在yolov5中，只有backbone中的Bottleneck是有shortcut的，Head中全部没有shortcut.

如果不加L1正则约束，训练结束后的BN层gamma分布近似正太分布：

<p align="center"> <img src="img/Screenshot from 2021-05-23 20-19-08.png"> </p>

是无法进行剪枝的。

稀疏训练后的分布：

<p align="center"> <img src="img/Screenshot from 2021-05-23 20-19-30.png"> </p>

可以看到，随着训练epoch进行，越来越多的gamma逼近0.

训练完成后可以进行剪枝，一个基本的原则是阈值不能大于任何通道bn的最大gamma。然后根据设定的裁剪比例剪枝。

剪掉一个BN层，需要将对应上一层的卷积核裁剪掉，同时将下一层卷积核对应的通道减掉。

这里在某个数据集上实验。

首先使用train.py进行正常训练：

python train.py --weights yolov5s.pt --adam --epochs 100

然后稀疏训练：

python train_sparsity.py --st --sr 0.0001 --weights yolov5s.pt --adam --epochs 100

sr的选择需要根据数据集调整，可以通过观察tensorboard的map，gamma变化直方图等选择。 在run/train/exp*/目录下:

tensorboard --logdir .

然后点击出现的链接观察训练中的各项指标.

训练完成后进行剪枝：

python prune.py --weights runs/train/exp1/weights/last.pt --percent 0.5 --cfg models/yolov5s.yaml

裁剪比例percent根据效果调整，可以从小到大试。注意cfg的模型文件需要和weights对应上,否则会出现运行prune 过程中出现键值不对应的问题,裁剪完成会保存对应的模型pruned_model.pt。

微调：

python finetune_pruned.py --weights pruned_model.pt --adam --epochs 100

在VOC2007数据集上实验,训练集为VOC07 trainval, 测试集为VOC07 test.作为对比,这里列举了faster rcnn和SSD512在相同数据集上的实验结果, yolov5输入大小为512.为了节省时间,这里使用AdamW训练100 epoch.

| model | optim&epoch | sparity | mAP@.5 | mode size | forward time | | ----------------- | ----------- | ------- | ----------- | --------- | ------------ | | faster rcnn | | - | 69.9(paper) | | | | SSD512 | | - | 71.6(paper) | | | | yolov5s | sgd 300 | 0 | 67.4 | | | | yolov5s | adamw 100 | 0 | 66.3 | | | | yolov5s | adamw 100 | 0.0001 | 69.2 | | | | yolov5s | sgd 300 | 0.001 | Inf. error | | | | yolov5s | adamw 100 | 0.001 | 65.7 | 28.7 | 7.32 ms | | 55% prune yolov5s | | | 64.1 | 8.6 | 7.30 ms | | fine-tune above | | | 67.3 | | 7.21 ms | | yolov5l | adamw 100 | 0 | 70.1 | | | | yolov5l | adamw 100 | 0.001 | 0.659 | | 12.95 ms |

在自己数据集上的实验结果:

| model | sparity | map | mode size | | --------------------- | ------- | ----- | --------- | | yolov5s | 0 | 0.322 | 28.7 M | | sparity train yolov5s | 0.001 | 0.325 | 28.7 M | | 65% pruned yolov5s | 0.001 | 0.318 | 6.8 M | | fine-tune | 0 | 0.325 | 6.8 M |

剪枝方法2

对于Bottleneck结构：

<p align="center"> <img src="img/Screenshot from 2021-06-05 00-06-27.png"> </p>

如果有右边的参差很小，那么就只剩下左边shortcut连接，相当于整个模块都裁剪掉。可以进行约束让参差逼近0.见train_sparsity2.py。

backbone一共有3个bottleneck，裁剪全部bottleneck：

| model | sparity | map | model size | | --------------------------- | ------- | ----- | ---------- | | yolov5s-prune all bottlenet | 0.001 | 0.167 | 28.7 M | | 85%+Bottlenet | | 0.151 | 1.1 M | | finetune | | 0.148 | |

| 裁剪Bottleneck数 | map | | ----------------- | ----- | | 所有bottle res | 0.167 | | 第2,3的bottle res | 0.174 | | 第3的bottle res | 0.198 |

可以看到实际效果并不好，从bn层分布也可以看到，浅层特征很少被裁减掉。

剪枝方法3

卷积核剪枝，那些权重很小的卷积核对应输出也较小，那么对kernel进行约束，是可以对卷积核进行裁剪的。

裁剪卷积核需要将下一层BN层对应裁剪，同时裁剪下一层卷积层的输出通道。见train_sparsity3.py

| | s | model size | map | | ---------------- | ---- | ---------- | ----- | | sparity train | 1e-5 | 28.7 M | 0.335 | | 50% kernel prune | | 8.4 M | 0.151 | | finetune | | 8.4 M | 0.332 |

剪枝方法4

混合1和3，见train_sparsity4.py

| | map | model size | | --------------------------- | ----- | ---------- | | conv+bn sparity train | 0.284 | 28.7 M | | 85% bn prune | 0.284 | 3.7 M | | 78% conv prune | 0.284 | 3.9 M | | 85% bn prune+78% conv prune | 0.284 | 3.7 M |

替换backbone

| model | size | mAPval 0.5:0.95 | mAPval 0.5 | | --------------------------- | ----- | ---------- | ------- | | yolov5s | 640 | 0.357 | 0.558 | | mobilenetv3small 0.75 | 640 | 0.24 | 0.421 |

调参

1. 浅层尽量少剪,从训练完成后gamma每一层的分布也可以看出来.
2. 系数λ的选择需要平衡map和剪枝力度.首先通过train.py训练一个正常情况下的baseline.然后在稀疏训练过程中观察MAP和gamma直方图变化,MAP掉点严重和gamma稀疏过快等情况下,可以适当降低λ.反之如果你想压缩一个尽量小的模型,可以适当调整λ.
3. 稀疏训练=>剪枝=>微调 可以反复迭代这个过程多次剪枝.
4. 使用yolov5默认的一些参数通常效果能获得不错的效果，比如使用SGD训练300 epoch，lr 0.01->0.001等，这里实验为了快速选用adamw训练了100 epoch。
5. 看到许多小伙伴提出了很多问题，有的我也没碰到，能解答的尽量解答。
6. 剪枝多少参数，有的是时候和数据集关系很大，我分别在简单任务（5k images,40+ class）和复杂数据集（20w+ images， 120+ class）实验过，简单任务可以将模型剪到很小（小模型也相对不够鲁棒）；复杂的任务最终参数较难稀疏，能剪的参数很少（<20%）。
7. yolov5的s,m,l,x四个模型结构是一样的，只是深度和宽度两个维度的缩放系数不同，所以本代码应该也适用m,l,x模型。
8. 可以试试用大模型开始剪枝，比如用yolov5l,可能比直接用yolov5s开始剪枝效果更好？大模型的搜索空间通常更大。
9. 在自己的数据集上,设置合理的输入往往很重要, 公开数据集VOC和COCO等通常做了处理,例如VOC长边都是500, COCO长边都是640, 这也是SSD设置输入300和512, yolov5设置输入640的一个重要原因.如果要在自己数据集上获得较好的性能,可以试试调整输入.

常见问题

1. 稀疏训练是非常种重要的,也是调参的重点,多观察bn直方图变化,过快或者过慢都不适合,所以需要平衡你的sr, lr等.一般情况下,稀疏训练的结果和正常训练map是比较接近的.
2. 剪枝时候多试试不同的ratio,一个基本的准则是每层bn层至少保留一个channel,所以有时候稀疏训练不到位,而ratio设置的很大,会看到remaining channel里面会有0出现,这时候要么设置更小的ratio,要么重新稀疏训练,获得更稀疏的参数.
3. 如果想要移植到移动端，可以使用ncnn加速，另外剪枝时控制剩余channel为2^n能有效提升推理速度；GPU可以使用TensorRT加速。