作者：Lavanya Arakere Dineshkumar

為什么需要神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型壓縮？

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為解決復(fù)雜機(jī)器學(xué)習(xí)問題的強(qiáng)大工具。然而，這種能力往往伴隨著模型規(guī)模和計算復(fù)雜度的增加。當(dāng)輸入維度較大（例如長時序窗口、高分辨率特征空間）時，模型需要更多參數(shù)、每次推理需要更多算術(shù)運算，使其難以部署在嵌入式硬件上。

對于嵌入式系統(tǒng)而言，資源極其有限。內(nèi)存空間受限，因此在桌面或云平臺上輕松運行的模型可能無法放入芯片內(nèi)的閃存。此外，較高的運算量（MACs/FLOPs）和推理延遲要求往往超出低功耗MCU或邊緣設(shè)備所能承受的范圍。

我們要解決的核心挑戰(zhàn)是：如何在保持模型性能的前提下，大幅壓縮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，降低模型大小、推理時間和計算成本，從而實現(xiàn)其在資源受限的嵌入式系統(tǒng)上的部署。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型壓縮是如何工作的？

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型往往比實際需要的更大。在訓(xùn)練和驗證之前，我們很難準(zhǔn)確判斷架構(gòu)規(guī)模是否合理。模型壓縮的目標(biāo)就是識別模型中的冗余和未充分利用的權(quán)重并將其移除。

我們使用專有的數(shù)學(xué)方法來尋找并壓縮這些冗余，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新整理，使其更加簡潔、小巧和高效。同時，我們會嚴(yán)格控制精度損失，確保不會丟棄過多關(guān)鍵信息。

實例：緊急尖叫聲檢測（Emergency Scream Detection）

為了更直觀地解釋這一挑戰(zhàn)，我們以“緊急尖叫聲檢測（ESD）”演示為例。ESD系統(tǒng)是一種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于區(qū)分求救尖叫聲和其他環(huán)境聲音。該任務(wù)是一個二分類問題：Scream vs Not Scream。

模型使用 HYPERLINK "https://research.google.com/audioset/ontology/index.html" 公共數(shù)據(jù)集中的音頻信號進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集規(guī)模大且多樣化，而驗證數(shù)據(jù)集由團(tuán)隊采集的小規(guī)?，F(xiàn)場錄音構(gòu)成。模型在訓(xùn)練集的k-fold驗證中表現(xiàn)中等，但在新的現(xiàn)場數(shù)據(jù)上表現(xiàn)非常好。

基線模型性能：

我們使用基于全連接層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并以STFT頻譜圖作為輸入特征。該模型取得了最佳效果，達(dá)到：

k-fold驗證精度：82%

現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試精度：98%

從性能角度看，該模型表現(xiàn)優(yōu)秀。然而，它有一個關(guān)鍵問題：

ROM占用：552kB

該大小超過目標(biāo)嵌入式平臺（Voice RA6E1）的內(nèi)存限制，導(dǎo)致無法部署。

壓縮模型性能：

為了解決這一問題，我們應(yīng)用了Renesas為嵌入式部署優(yōu)化的專有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壓縮技術(shù)。

壓縮結(jié)果非常顯著：

模型大小從552kB降至117kB（減少約79%）

k-fold驗證精度保持82%

現(xiàn)場測試精度保持98%

MAC從129,68 降至21,001（降低83%）

Figure 1: Comparing baseline and compressed model on RealityAI

也就是說，在幾乎不影響模型性能的前提下，顯著減少了模型規(guī)模和計算成本。

圖1–5展示了該對比的詳細(xì)信息。圖1顯示AI Explore?的對比結(jié)果；圖2和圖3的混淆矩陣確認(rèn)精度保持一致；圖4和圖5的紅框部分（Flash Parameters）展示了模型大小和復(fù)雜度的核心差異，該數(shù)值反映了實際編譯后部署的模型，比Explore頁面上的估算更準(zhǔn)確。

更多成功案例

表1匯總了其他示例模型的結(jié)果——其中，資產(chǎn)移動跟蹤模型使用加速度計數(shù)據(jù)來識別設(shè)備或包裹的搬運與移動狀態(tài)；吸塵器地面類型檢測模型通過電機(jī)信號判斷清掃對象的地面材質(zhì)；電機(jī)啟動負(fù)載檢測模型能夠在開環(huán)控制下快速判斷電機(jī)的啟動負(fù)載，從而幫助控制器實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化。

從這些實驗結(jié)果可以看到，模型在壓縮后的準(zhǔn)確率基本得以保持。兩個項目在壓縮前后完全沒有精度損失（緊急尖叫檢測：98% → 98%，電機(jī)啟動負(fù)載：99% → 99%），其余兩個項目的變化也僅為1%的輕微下降（資產(chǎn)移動：92% → 91%，吸塵器地面類型：96% → 95%）。

在保持精度幾乎不變的同時，模型體積顯著減小。尤其是較大的基線模型，ROM 使用量減少超過75%。同時，MAC（Multiply-Accumulate）運算量也呈現(xiàn)同等幅度的下降，與 ROM 節(jié)省情況高度一致。

Table SEQ Table \* ARABIC : Comparison of baseline and compressed models

使用 Reality AI Tools®進(jìn)行模型壓縮

在Reality AITools®中，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行壓縮、重新訓(xùn)練、使用新數(shù)據(jù)進(jìn)行測試以及部署到目標(biāo)板上，都非常簡單。事實上，在AI Explore?階段，工具會自動完成模型壓縮——你甚至不需要額外關(guān)注這一步驟。

下面是一段精簡的流程說明，展示你將會看到的主要步驟。

首先，在Data→Curate模塊中創(chuàng)建你的訓(xùn)練集和測試集。

在AI Explore?頁面中訓(xùn)練模型，并探索不同的特征空間與決策結(jié)構(gòu)。點擊“Start Explore”后，系統(tǒng)會自動訓(xùn)練和測試多種模型，并根據(jù)性能對它們進(jìn)行排序。在Explore的結(jié)果中，你會同時看到部分模型的基線版本與壓縮版本。當(dāng)某個基線模型在不降低準(zhǔn)確率的情況下可以進(jìn)一步縮小體積時，工具會自動生成其壓縮版本。壓縮模型會使用一個特殊符號標(biāo)記（如圖7中紅色箭頭所示）。相反，沒有該符號的則是未壓縮的原始基線模型。

一旦你確定了需要進(jìn)一步評估與部署的模型，可以從該模型創(chuàng)建一個Base Tool，以便繼續(xù)開展后續(xù)工作。此時，壓縮后的模型即可用于重新訓(xùn)練、測試、優(yōu)化以及部署，使用方式與原始基線模型完全一致。

對于用戶來說，使用壓縮模型是完全透明的。它在系統(tǒng)中會像其他任何Trained Tool模型一樣工作，不需要額外步驟或特殊處理。

Figure 8: Test new data on trained model

你可以在Test & Optimize→Try New Data區(qū)域測試壓縮后的模型。選擇壓縮版本的Trained Tool模型以及所需的測試數(shù)據(jù)集，然后運行AccuracyTest（準(zhǔn)確率測試），即可評估該模型在未見過的數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)。

部署同樣非常簡單。在驗證壓縮模型并確認(rèn)其性能符合預(yù)期后，你可以進(jìn)入Deploy→Embedded完成部署流程。選擇已經(jīng)訓(xùn)練好的壓縮模型，并根據(jù)目標(biāo)嵌入式系統(tǒng)的約束條件創(chuàng)建新的部署包。隨后，下載生成的可導(dǎo)出模型包，并將其部署到目標(biāo)硬件板上。與Reality AI Tools®中其他模型的部署方式完全一致，使用壓縮模型無需任何額外步驟或特殊處理。

Figure 9: Export compressed model

結(jié)論

在部署機(jī)器學(xué)習(xí)模型時，僅有高準(zhǔn)確率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。模型還必須滿足嚴(yán)格的內(nèi)存預(yù)算，并在資源受限的環(huán)境中高效運行。我們先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型壓縮技術(shù)，使開發(fā)階段的高性能模型能夠輕松過渡為可部署于邊緣設(shè)備的輕量化AI解決方案。

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