TensorFlow 图变换：FoldBatchNorm

秒速五厘米 2022-02-02 04:11 250阅读 0赞

TensorFlow 的计算是按图（Graph）组织的，构建好的图有时需要根据需要做一些变换（例如将训练好的模型部署到生产环境时，去除无用的节点），在保证计算结果不变（或近似不变）的情况下优化计算速度或降低内存占用。Graph Transform Tool【1】是 TensorFlow 提供的一组可以修改 TensorFlow Graph 的工具，使用方便，易于扩展。

使用 Graph Transform Tool 时，它的操作对象为 GraphDef 对象，通常保存为二进制文件，后缀为 .pb。前面文章《[TensorFlow 到底有几种模型格式？][TensorFlow]》介绍过这种文件的生成方式。

该工具调用方式如下：

bazel build tensorflow/tools/graph\_transforms:transform\_graph bazel-bin/tensorflow/tools/graph\_transforms/transform\_graph \\ --in\_graph=tensorflow\_inception\_graph.pb \\ --out\_graph=optimized\_inception\_graph.pb \\ --inputs='Mul:0' \\ --outputs='softmax:0' \\ --transforms=' strip\_unused\_nodes(type=float, shape="1,299,299,3") remove\_nodes(op=Identity, op=CheckNumerics) fold\_constants fold\_batch\_norms'

注意需要在 TensorFlow 源码根目录下运行。

其中参数 --in\_graph 指定输入 GraphDef 文件名，--out\_graph 制定输出 GraphDef 文件名，--inputs 指定输入 Node，--outputs 指定输出 Node，--transforms 指定变换类型。变换类型使用一串命令构成，每条命令都对应一种变换。

Batch Normalization（后面简称 BN）【2】是一种加速深度模型训练的技术，通过训练时对每个 mini-batch 内的 activations 做归一化降低 internal covariate shift，进而加速模型收敛。目前主流深度学习模型（ResNet，Inception，DenseNet，……）几乎都使用了 BN 技术。训练完毕，Batch Normalization 的参数（均值 E\[x\] 和方差 Val\[x\]）不再更新，在后续推理计算时，可将这些常数参数通过 constant folding 来简化模型。BN 计算公式如下：

![20190510162638446.png][]

一般 BN 位置都在 Convolution 之后（DenseNet 例外），以 TensorFlow 实现的 Inception V3 模型【3】 为例，Conv-BN-Relu 表示为计算图如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTc3MDE2OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

其中 Conv2D 节点实现 Convolution 计算，Rsqrt 实现先求平方根再取倒数运算，Mul, Add, Sub 分别实现乘法、加法、减法计算，Const 为常数，代表计算参数。由于推理计算时 BN 输入参数均为常数，那么经过 constant folding， BN 可在算数上简化为：

y = x \* a + b

进一步，当 x 为卷积输出，对卷积权值直接乘上 a，就可以在前向计算时直接得到 x \* a 的结果，这一步称为 BN folding。经过两步简化后的计算图为：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTc3MDE2OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

此时节点数目也有大量缩减。在推理计算时，能降低运行时间和存储开销。

与上面 BN folding 优化对应的 Graph Transform 代码位于 tensorflow/tools/graph\_transforms/fold\_batch\_norms.cc，其中使用了一个非常有用的函数：

Status ReplaceMatchingOpTypes(

const GraphDef& input\_graph\_def,

const OpTypePattern& pattern,

const std::function<Status(const NodeMatch&, const std::set<string>&,

const std::set<string>&, std::vector<NodeDef>\*)>&  node\_generator,

const ReplaceMatchingOpTypesOptions& options,

GraphDef\* output\_graph\_def);

该函数将 input\_graph\_def 中所有与 pattern 匹配的子图替换为 node\_generator 产生的新 op，然后保存到 output\_graph\_def 中。

pattern 定义为：

\{"Mul",                // mul\_node

\{"Conv2D|MatMul",  // conv\_node

\{"\*"\},         // input\_node

\{"Const"\},     // weights\_node

\},

\{"Const"\},         // mul\_values\_node

\},  // clang-format on

上述 pattern 能匹配原计算图中 Conv2D -> Mul 子图。node\_generator 代码中将匹配后的子图直接替换为新的 Conv2D（权值常量更新为原权值与乘数因子 a 的乘积）。代码如下：

// 从匹配模式中得到 Mul、Conv、Input、weight、Mul value 节点

const NodeDef& mul\_node = match.node;

const NodeDef& conv\_node = match.inputs\[0\].node;

const NodeDef& input\_node = match.inputs\[0\].inputs\[0\].node;

const NodeDef& weights\_node = match.inputs\[0\].inputs\[1\].node;

const NodeDef& mul\_values\_node = match.inputs\[1\].node;

// 获取卷积权值、乘数因子数值

Tensor weights = GetNodeTensorAttr(weights\_node, "value");

Tensor mul\_values = GetNodeTensorAttr(mul\_values\_node, "value");

// 原始卷积权值乘上乘数因子

auto weights\_matrix = weights.flat\_inner\_dims<float>();

Tensor scaled\_weights(DT\_FLOAT, weights.shape());

auto scaled\_weights\_matrix = scaled\_weights.flat\_inner\_dims<float>();

for (int64 row = 0; row < weights\_matrix.dimension(0); ++row) \{

for (int64 col = 0; col < weights\_cols; ++col) \{

scaled\_weights\_matrix(row, col) =

weights\_matrix(row, col) \* mul\_values.flat<float>()(col);

// 构造新的卷积权值节点，填入更新后的权值

NodeDef scaled\_weights\_node;

scaled\_weights\_node.set\_op("Const");

scaled\_weights\_node.set\_name(weights\_node.name());

SetNodeAttr("dtype", DT\_FLOAT, &scaled\_weights\_node);

SetNodeTensorAttr<float>("value", scaled\_weights, &scaled\_weights\_node);

new\_nodes->push\_back(scaled\_weights\_node);

new\_nodes->push\_back(input\_node);

// 构造新的卷积节点，复制旧卷积节点参数，改个名

NodeDef new\_conv\_node;

new\_conv\_node = conv\_node;

new\_conv\_node.set\_name(mul\_node.name());

new\_nodes->push\_back(new\_conv\_node);

return Status::OK();

Graph Transform 工具为离线优化工具，优化后的 GraphDef 文件可以像原先模型一样部署，无需修改生产环境代码。

本文介绍的 BN folding 优化方法可适用于 CPU、GPU、移动端、嵌入式等各种需要推理加速的场景。

【1】 https://github.com/tensorflow/tensorflow/tree/master/tensorflow/tools/graph\_transforms

【2】 Batch Normalization : Accelerating Deep Network Training by Reducing Internal Covariate Shift, arXiv:1502.03167

【3】 http://download.tensorflow.org/models/inception\_v3\_2016\_08\_28.tar.gz

参考：[https://mp.weixin.qq.com/s/dLj7jA4rPg2UYzoe8SkgOQ][https_mp.weixin.qq.com_s_dLj7jA4rPg2UYzoe8SkgOQ]

[TensorFlow]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2MzYwNzUyNg==&mid=2247484234&idx=1&sn=01276a50d0c3396c65b485292d2b992a&chksm=eab806c3ddcf8fd5caa76325fd8da86ff42959a31a0ccd33af8edebca3f3f8f431740c4a5fea&scene=21#wechat_redirect
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