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工智能自動(dòng)駕駛汽車中機(jī)器學(xué)習(xí)的深度壓縮與修剪
發(fā)布時(shí)間：2018-08-06 分類：交通百科
存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，您往往沒(méi)有無(wú)限的存儲(chǔ)空間，因此需要考慮如何減少數(shù)據(jù)量，但仍保持?jǐn)?shù)據(jù)所代表的含義。如果你過(guò)度刪除數(shù)據(jù)，那么你可能會(huì)減少數(shù)據(jù)量，但同時(shí)你可能已經(jīng)拋棄了必要的方面而且損失是一件壞事。同樣，您可以嘗試保留數(shù)據(jù)，不是修剪它而是壓縮它。壓縮是將事物壓縮在一起并且可以減少總空間量，但同時(shí)您需要考慮您是否可以輕松訪問(wèn)數(shù)據(jù)，因?yàn)樗枰鈮嚎s才能將其恢復(fù)到可讀狀態(tài)。
有時(shí)候你只專注于修剪，有時(shí)候你只關(guān)注壓縮，有時(shí)候，同時(shí)進(jìn)行壓縮和修剪是很方便的。從計(jì)算機(jī)的角度來(lái)看，壓縮和修剪的操作可能是計(jì)算密集型的，因此您需要確定這樣做是否有效的投資回報(bào)。如果壓縮和修剪的努力是一次性的，那么結(jié)果就會(huì)一次又一次地使用，那么一次性預(yù)先壓縮和修剪的成本就更有可能是值得的。您可能會(huì)減少總體所需的存儲(chǔ)量，并且緊湊性可能會(huì)使數(shù)據(jù)更容易存儲(chǔ)，且存儲(chǔ)成本更低。
這和人工智能自動(dòng)駕駛汽車有什么關(guān)系?
在控制論自動(dòng)駕駛汽車研究所，我們正在使用機(jī)器學(xué)習(xí)的深度壓縮和修剪來(lái)使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更緊湊，更便于在自動(dòng)駕駛汽車中使用。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的修剪可以追溯到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的早期。在20世紀(jì)90年代，許多研究試圖找到修剪神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。最重要的思想是考慮所有可能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，適用于手頭的問(wèn)題，并從這些變體中選擇一個(gè)在最小的大小上具有相同輸出的變體。不幸的是，試圖通過(guò)所有的可能性去尋找“最好的”，通常是不可行的，因?yàn)榇罅康慕M合和排列，將需要審查。因此，有各種各樣的拇指修剪規(guī)則被開(kāi)發(fā)出來(lái)，指導(dǎo)人們進(jìn)行不那么全面的修剪，同時(shí)也試圖找到一個(gè)更小的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即使它不是最優(yōu)的最小的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-它至少比它本來(lái)可能要小的多。
在發(fā)展神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，有四個(gè)主要階段：
1、據(jù)需要設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，以找到合適的。
3、成正在使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于現(xiàn)實(shí)世界的行動(dòng)。
在進(jìn)行設(shè)計(jì)的第一階段，開(kāi)發(fā)人員需要考慮諸如有多少層、有多少個(gè)神經(jīng)元、有多少個(gè)突觸(連接)等方面。最外層通常用于接收輸入和提供輸出，因此主要用于外部性目的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的其他層有時(shí)被稱為隱藏層，位于最外層之間。每一層中的神經(jīng)元與該層中的其他神經(jīng)元相互連接，也可以與其他層中的神經(jīng)元相互連接。每個(gè)神經(jīng)元可以有一些扇入連接和一些扇出連接。
對(duì)于一個(gè)給定的問(wèn)題，你想要使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，你需要考慮有多少層，多少神經(jīng)元，多少連接，等等。如果你去挑選一些任意大的大小野豬，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練的難度可以相當(dāng)高。如果你太保守，沒(méi)有足夠的規(guī)模，你將不太可能有成功的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，試圖匹配的問(wèn)題，并達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。
讓我們假設(shè)你正在設(shè)計(jì)一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)嘗試識(shí)別路標(biāo)。這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將是人工智能自動(dòng)駕駛汽車系統(tǒng)的一部分。當(dāng)圖像呈現(xiàn)給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，您希望神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確地找到路標(biāo)。自動(dòng)駕駛汽車有攝像頭，可以拍照，并將照片發(fā)送到車載神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)試圖確定前面是否有停車標(biāo)志，并提醒人工智能系統(tǒng)的其他部分，這樣自動(dòng)駕駛汽車就會(huì)適當(dāng)?shù)赝Ｏ聛?lái)。
車載神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將消耗存儲(chǔ)空間和處理器時(shí)間，以完成對(duì)自動(dòng)駕駛汽車攝像頭產(chǎn)生的圖像進(jìn)行分析的工作。自動(dòng)駕駛汽車上的計(jì)算機(jī)需要足夠強(qiáng)大，能夠容納神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且速度足夠快，以確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)地進(jìn)行匹配。如果攝像機(jī)提供了一個(gè)路標(biāo)的圖像，如果自動(dòng)駕駛汽車正以較快的速度向前行駛，如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)花了太長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)判斷該標(biāo)志是否是停車標(biāo)志，那么自動(dòng)駕駛汽車的人工智能可能會(huì)直接穿過(guò)停車標(biāo)志，因?yàn)閺纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得路標(biāo)分析結(jié)果的時(shí)間太晚了。
考慮到自動(dòng)駕駛汽車需要數(shù)以噸計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)分析來(lái)自相機(jī)、激光雷達(dá)和聲納等設(shè)備的各種輸入，你就會(huì)開(kāi)始意識(shí)到車載計(jì)算機(jī)的數(shù)量和它們的存儲(chǔ)需求是相當(dāng)令人望而生畏的。另外，還要考慮所有這些計(jì)算機(jī)的能量需求。你需要有一個(gè)巨大的電池或其他能源生產(chǎn)的自動(dòng)駕駛汽車的元素，只是為所有的電腦所需的車載。
因此，總的來(lái)說(shuō)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模保持在盡可能小的范圍內(nèi)是至關(guān)重要的。但是，這必須以一種不過(guò)分限制它們的工作方式來(lái)完成。如果我們修剪和壓縮一個(gè)路標(biāo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使它很小，但如果它在識(shí)別路標(biāo)方面做得很差，假設(shè)它只能在某些時(shí)候找出一個(gè)停車標(biāo)志，那么我們將把自動(dòng)駕駛汽車的其他部分和乘員置于更高的風(fēng)險(xiǎn)中。
因此，開(kāi)發(fā)人員在設(shè)計(jì)階段必須設(shè)法衡量他們認(rèn)為使用的大小是合理的。然后，在訓(xùn)練階段，他們對(duì)大樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，看看神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練效果如何。你希望神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一種泛化的狀態(tài)，這樣一旦投入使用，它就能很好地工作。如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)“相適應(yīng)”，這意味著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練集上做得很好，但一旦投入使用，它就可能做得不好(因?yàn)檫^(guò)于專注于訓(xùn)練數(shù)據(jù))。
在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到充分的訓(xùn)練后，開(kāi)發(fā)人員就會(huì)做一些最終的完成方面的工作，以準(zhǔn)備好在持續(xù)的基礎(chǔ)上使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在某些情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將是稀疏的，例如有大量未使用的神經(jīng)元或未使用的連接，等等。大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員傾向于在達(dá)到這個(gè)完成階段時(shí)考慮修剪。他們可能沒(méi)有意識(shí)到，在設(shè)計(jì)階段，他們可能已經(jīng)在做修剪工作了，也就是說(shuō)，也許他們最初在N+1大小時(shí)就可以建立一個(gè)N大小的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而是選擇了N+1，換句話說(shuō)，他們只是在開(kāi)始時(shí)決定在進(jìn)入訓(xùn)練階段時(shí)大小會(huì)是多少。
這里的要點(diǎn)是，您可以在任何階段進(jìn)行修剪。在最初設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，你基本上可以做修剪。一旦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)行訓(xùn)練，你可以做修剪，看看它如何影響訓(xùn)練。而且，一旦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練，在完成階段，你可以做修剪。
修剪的類型包括：
1、少層數(shù)(這通常是最劃算的)。
2、減連接的數(shù)目。
3、少神經(jīng)元的數(shù)目。
4、掉加權(quán)數(shù)。
5、他方面。
如果你能以某種方式消除整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層，那么就減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和復(fù)雜性而言，這往往是最大的回報(bào)。話雖如此，但減少整個(gè)層的可能性通常較小。另外，我不想誤導(dǎo)你，因?yàn)槟憧赡苡幸粋€(gè)層，一開(kāi)始是相當(dāng)少的，因此通過(guò)刪除該層的修剪量可能沒(méi)有你能夠修剪的連接或神經(jīng)元等的數(shù)量那么大的回報(bào)。每個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都有它自己的形狀，因此修剪的收益取決于這個(gè)形狀。
在假設(shè)修剪很容易的時(shí)候，你也應(yīng)該小心。
你有沒(méi)有試過(guò)修剪一棵在你家周圍長(zhǎng)滿了的樹(shù)或灌木?把它砍掉，你一開(kāi)始就想。如果你這樣做，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有時(shí)樹(shù)木或灌木會(huì)受到傷害，無(wú)法再長(zhǎng)出來(lái)。修剪的方法有時(shí)是正確的，有時(shí)是錯(cuò)誤的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是如此。如果你用錯(cuò)誤的方法修剪，你將開(kāi)始失去擁有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的意義。因此，在修剪過(guò)程中，您需要檢查神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)您所承擔(dān)的每個(gè)修剪操作的敏感性。
除了修剪，開(kāi)發(fā)人員還應(yīng)該考慮如何可能壓縮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。例如，如果查看用于神經(jīng)元的權(quán)重，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)有些權(quán)重為零(在這種情況下，這些神經(jīng)元是可能修剪的候選)，或接近于零(更多的候選修剪)，或具有一個(gè)通常重復(fù)的值，您可能會(huì)對(duì)它們進(jìn)行壓縮。用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壓縮的最流行的壓縮技術(shù)之一是應(yīng)用Huffman編碼。從本質(zhì)上說(shuō)，Huffman編碼技術(shù)采用頻繁出現(xiàn)的代碼，例如在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中反復(fù)使用相同的權(quán)重，并生成一個(gè)大小更短的替代代碼，但仍然在需要時(shí)返回原始代碼(這稱為無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮)。
在人工智能自動(dòng)駕駛汽車的情況下，修剪和壓縮最有可能對(duì)一種被稱為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很大的回報(bào)，這是一種用于圖像分析和視覺(jué)模式匹配的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。我們已經(jīng)在人工智能自動(dòng)駕駛汽車的路標(biāo)分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和行人檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上看到了這種良好的工作。
對(duì)于許多人工智能自動(dòng)駕駛汽車開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，他們目前主要是在努力制造適用于人工智能自動(dòng)駕駛汽車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而不太關(guān)心神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否會(huì)占用大量的存儲(chǔ)空間或花費(fèi)大量的處理時(shí)間。一旦他們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場(chǎng)工作，對(duì)這些開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這將變得更加明顯，這是一個(gè)巨大的飛躍。
