朱俊彦团队提出GAN压缩算法：计算量减少20倍，生成效果不变，GPU、CPU统统能加速

边策 鱼羊 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

现如今，GAN的效果已经越来越出神入化。

比如英伟达的GauGAN，就如神笔马良，能够凭空造物：

不过，从无化有背后，计算量也相当惊人。

以GauGAN为例，与MobileNet-v3这样的识别CNN相比，参数只相差1个数量级（4.2 : 93）计算强度却高出了2个数量级（0.5 : 281）。

如此一来，交互式部署就变得很困难。

更直白来说，想要把模型部署到手机、平板这样的终端，换装变脸转性别，这些边缘设备——吃不太消。

为了解决这一问题，来自MIT、Adobe研究院和上海交通大学的团队琢磨出了一个通用压缩框架。

有多强？

一举将CycleGAN的计算量减少了20倍以上，将GauGAN的计算量减少了9倍，简笔画到实物图的pix2pix也能驾驭，效果却未差分毫。

值得一提的是。论文已入选CVPR 2020，代码也已开源。

作者团队也星光璀璨，一作是来自上海交通大学ACM班的本科生李沐阳，CycleGAN的作者朱俊彦则亲身参与、指导。

GAN压缩算法

压缩GAN，并不像压缩其他CNN模型那样容易。

主要原因：GAN的训练动力学高度不稳定，生成器与鉴别器之间存在巨大的结构差异，让我们很难使用现有的CNN压缩算法。

为了解决这个问题，作者提出了针对有效生成模型量身定制的训练方案，并通过神经架构搜索（NAS）进一步提高压缩率。

GAN压缩的框架如下图所示，主要分为3个部分：

1、给定一个预训练的teacher生成器G’，通过蒸馏的方法获取一个较小的“once-for-all”的student生成器G，其中包括通过权重共享的所有可能通道数。在每个训练步骤中选择不同的通道数ck。

2、从“once-for-all”生成器中提取许多子生成器，并评估其性能，无需重新训练，这也是被叫做once-for-all（一劳永逸）的原因。

3、最后，根据给定的压缩率目标和性能目标，选择最佳子生成器，进行微调，并获得最终的压缩模型。

构造合适的损失函数

因为GAN压缩算法要面对CycleGAN、pix2pix还有GauGAN，这些模型的损失函数都不尽相同，所以需要构造一个新的损失函数。

统一未配对和配对学习

有些GAN是通过配对数据集学习的，有些则是非配对数据集。因此要在损失函数中加入第二项，统一非配对和配对学习的损失：

继承teacher鉴别器

尽管目标是压缩生成器，但是鉴别器会存储学习到GAN知识，因为它会发现当前生成器的缺点。

因此，我们采用相同的鉴别器架构，使用teacher预训练的权重，并与我们的压缩生成器一起对鉴别器进行微调。预训练的鉴别器可以指导student生成器的训练。

初始化的student鉴别器D使用来自teacher鉴别器D’的权重。

中间特征蒸馏

蒸馏是CNN中广泛使用的模型压缩方法。

CNN模型压缩的一种广泛使用的方法是知识蒸馏。通过匹配输出层的logits，可以将知识从teacher模型转移到student模型，从而提高后者的表现。

最后完整的损失函数为：

其中超参数λrecon和λdistill控制后两项的权重。

高效的生成器设计空间

选择设计良好的student体系结构对于最终进行知识蒸馏至关重要。

简单地缩小teacher模型的通道数并不能产生紧凑的student模型，一旦计算量的压缩比超过4倍，性能就会开始显著下降。

预测可能的原因之一是，现有的生成器采用的图像识别模型，可能不是图像合成任务的最佳选择。

下面，作者展示了如何从现有的cGAN生成器中获得更好的架构设计空间，并在该空间内执行神经架构搜索（NAS）。

卷积分解和层敏感性

近来高效的CNN设计，广泛采用了卷积分解的方法，证明了在性能与计算之间的权衡取舍。作者发现使用分解的卷积，也有利于cGAN中的生成器设计。

然而实验表明，将分解直接应用于所有卷积层，将大大降低图像质量。但是可以只有某些层分解会降低性能，而某些层则更鲁棒。

在ResNet生成器中，resBlock层消耗了大部分模型参数和计算成本，而几乎不受分解的影响。相反，上采样层的参数要少得多，但是对模型压缩相当敏感，适度的压缩也会导致FID大幅下降。

NAS自动裁剪通道

现在的生成器在所有层上都使用手动设计，因此通道数会有冗余。为了进一步压缩模型，作者使用通道修剪自动选择生成器的通道宽度减少冗余，可以二次减少计算量。

对于每个卷积层，可以从8的倍数中选择通道数，可以平衡MAC和硬件并行性。

解耦训练和结构搜索

为了解决该问题，作者遵循one-shot神经体系结构搜索方法的最新工作，将模型训练与体系结构搜索分离 。

先训练一个支持所有通道的“once-for-all”网络，具有不同数量通道的每个子网络都经过同等训练，可以独立运行，子网络与“once-for-all”网络共享权重。

在训练了“once-for-all”网络后，通过直接在验证集上评估每个候选子网络的性能来找到最佳子网。由于“once-for-all”网络经过权重共享的全面训练，因此无需进行微调。

通过这种方式，我们可以将训练和搜索生成器体系结构分离开来：只需要训练一次，在无需进一步训练的情况下评估所有可能的通道配置，并选择最佳的作为搜索结果。

实验结果

最终实验结果如下：

GAN压缩将乘法累加运算（MAC）的数量减了9~21倍。

这种方法将CycleGAN的计算量减少了20倍以上，将pix2pix的计算量减少了9倍，将GauGAN的计算量减少了9倍。

而且不仅能在GPU上加速，在各种各种各样的CPU上也可以实现加速，而且加速效果在CPU上更明显。

代码开源

现在，这一GAN压缩框架已经开源，数据集和预训练模型均可下载。

如果想要上手亲测，需要的环境是：

• Linux
• Python 3
• CPU or NVIDIA GPU + CUDA CuDNN

同时，研究团队也准备了CycleGAN和pix2pix两个版本的PyTorch Colab，在线即可体验。

试试用CycleGAN把普通马变斑马的效果。

首先把GAN Compression这个项目克隆下来：

!git clone https://github.com/mit-han-lab/gan-compression.git

下载测试数据集：

!bash datasets/download_cyclegan_dataset.sh horse2zebra

下载预训练模型：

python scripts/download_model.py —model pix2pix —task edges2shoes-r —stage full
python scripts/download_model.py —model pix2pix —task edges2shoes-r —stage compressed

下面，就是见证换皮的时刻：

效果差距大不大，肉眼看了不算，还是要计算一下FID（用于评估GAN生成图像的质量，分数越低代表与真实图像越相似）。

该项目提供了几个数据集的真实统计信息：

bash ./datasets/download_real_stat.sh horse2zebra A
bash ./datasets/download_real_stat.sh horse2zebra B

测试的结果显示，原始CycleGAN的FID是65.687，压缩后，模型的FID是65.312，两者差距不大。

但在MAC、参数规模和延迟方面，压缩模型都要远远小于原始模型。

上海交大本科生一作，朱俊彦&韩松加持

论文一作，是上海交通大学ACM班大四本科生李沐阳。

2019年7月-今年1月，李沐阳师从MIT韩松教授和朱俊彦教授，在MIT Han Lab担任研究助理，这篇CVPR 2020论文就是在此期间产出。

目前，李沐阳的研究兴趣在于机器学习、系统以及计算机图形学等领域，他计划在今年毕业之后继续读博深造。

科研之余，李沐阳同学的一大爱好是唱歌。在他的个人主页上，他还分享了自己的唱吧链接，以及个人MV。

论文的另外几位作者，分别是：

Ji Lin，本科毕业于清华大学，现于MIT就读博士。

丁尧尧，同样是来自上海交大ACM班的本科生，和李沐阳同在MIT Han Lab担任研究助理，受韩松教授指导。

Zhijian Liu，本科毕业于上海交大，现于韩松教授门下就读博士。

朱俊彦，李沐阳的指导者之一。这位青年大牛无需多介绍，CycleGAN作者，国际顶会ACM SIGGRAPH 2018最佳博士论文奖获得者。现为Adobe研究科学家，今年秋天将回归母校CMU担任助理教授。

韩松，MIT EECS助理教授，同样是AI业界大牛。博士毕业于斯坦福大学，曾斩获ICLR 2016最佳论文、FPGA 2017最佳论文。

传送门

论文地址：https://arxiv.org/abs/2003.08936

GitHub：https://github.com/mit-han-lab/gan-compression

李沐阳个人主页：https://lmxyy.me

Colab：https://colab.research.google.com/github/mit-han-lab/gan-compression/blob/master/cycle_gan.ipynbhttps://colab.research.google.com/github/mit-han-lab/gan-compression/blob/master/pix2pix.ipynb

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