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论文: Straightforward Layer-wise Pruning for More Efficient Visual Adaptation

创新点


  • 提出了一种针对PETL模型的剪枝方法SLSStraightforward Layer-wiSe Pruning method),证明在下游数据集与预训练数据集之间存在显著差距时,PETL转移后的模型中存在大量冗余参数。
  • 提出了一种直观的特征级分析方法,为评估结构剪枝参数的重要性提供了一种新的视角。
  • SLSVTAB-1k基准测试中,使用相同的剪枝参数数量,以简单的策略在模型存储、准确性和速度上超越了当前主流的结构剪枝方法DepGraph

内容概述


参数高效迁移学习(PETL)旨在使用有限的参数调整大型预训练模型。虽然大多数PETL方法在训练过程中仅更新添加或选择的参数并冻结预训练权重,但因为PETL难以回传梯度调整顶层的参数,往往会导致冗余的模型结构。结构剪枝有效降低了模型冗余,但常见的剪枝方法通常会导致存储参数的过度增加,因为不同剪枝率和数据会产生不同的剪枝结构。

针对存储参数量的问题,论文提出了一种直接的层级剪枝方法SLSStraightforward Layer-wiSe Pruning method),用于剪枝PETL模型。SLS通过从特征角度评估每一层的参数,并利用聚类度量通过t-SNE获得的低维空间中的聚类现象来评估当前层参数,SLS促进了基于信息的剪枝决策。逐层剪枝专注于存储剪枝索引,解决了存储量的问题。

值得注意的是,主流的逐层剪枝方法可能不适合评估PETL转移模型中层的重要性,因为大多数参数是预训练的,并且与下游数据集的相关性有限。与最先进的PETL方法进行的比较分析表明,剪枝模型在模型吞吐量和准确性之间实现了显著的平衡。此外,SLS有效减少了由于不同剪枝结构而产生的存储开销,同时在与传统剪枝方法相比时提升了剪枝模型的准确性和速度。

SLS


以往的研究表明,较低层通常捕捉一般特征,而较高层则专注于特定特征。基于这一理解以及在PETL模型中冻结预训练网络参数的局限性,论文认为当下游数据分布与预训练数据分布之间存在显著差异时,PETL转移的模型深层将包含大量冗余参数。于是论文打算动态识别并剪除这些冗余参数。为了确保剪枝过程的有效性,必须满足以下关键标准:

  1. 保持与PETL转移方法相同的存储参数数量。
  2. 预测冗余参数而无需额外的训练。

相关算法

  • 降维算法t-SNE:给定一组 $d$ 维输入特征 $X=\{x_1,x_2,...,x_n\}\in \mathbb{R}^{n\times d}$ ,为 $X$ 计算一组 $s$ 维嵌入,记作 $Y=\{y_1,y_2,...,y_n\}\in \mathbb{R}^{n\times s}$ 。其中 $s\ll d$ ,通常为23以便于可视化。首先使用联合概率来度量输入 $X$ 中 $x_i$ 和 $x_j$ 之间的相似性,随后调整随机初始化 $Y$,使 $Y$ 元素之间的相似性与 $X$ 对应元素之间的相似性一致。
  • 聚类算法指标SC_Index(Silhouette Coefficient Index):给定一组聚类结果 $X=\{x_1,x_2,...,x_n\}$ ,对于某一点 $x_i$ ,定义 $a(i)$ 为其所在聚类中剩余点与 $x_i$ 之间的平均距离, $b(i)$ 为 $x_i$ 与最近聚类中所有点之间的平均距离。

    $$ \begin{equation} \bar{s}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n\frac{b(i)-a(i)}{\max(a(i),b(i))} \end{equation} $$

层级剪枝不会增加存储参数数量

SLS的预测不涉及额外的参数引用,采用基于现有特征的聚类方法预测剪枝层索引表示为 $Index_j$ 直接进行剪枝。因此,通过SLS剪枝的模型不会产生任何额外的存储开销。

根据各层的中间特征做出剪枝决定

使用降维特征的聚类程度SC_Index来评估层特征,该方法不引入额外的监督训练。如图2所示,在适当的设置下,模型中当前层的分类准确率与降维特征的SC_Index之间存在明显的相关性。

论文提出了特征评估模块 (FEM) 来评估来自层 $L_i$ 的特征。如图3所示,FEM从层 $L_i$ 的输出 $[x_i,e_i]$ 中提取cls_token $x_i$ 来表示当前特征,使用t-SNE算法将 $x_i$ 降维到 $x_i' \in \mathbb{R}^{B\times2}$ 。随后,通过结合对应于当前输入的标签 $\in \mathbb{R}^{B\times1}$ ,得到一个具有 $p$ 个类别的聚类结果 $C$ ,其中 $p$ 是当前数据集中的类别数量。最后,计算与 $C$ 对应的值 $a(i)$ 和 $b(i)$ ,确定当前层特征的评估值 $SC\_index_i$ 。

对于一个具有 $N$ 层的模型,设 $\mathbf{\alpha}$ 为一个超参数,控制SLS剪枝的程度。当前数据集上剪枝层数的阈值 $T$ 定义为

$$ \begin{equation} \label{eq11} T=\mathbf{\alpha} \times SC\_Index_N \end{equation} $$

在模型的剪枝过程中,从最高层向下遍历。当第 $i^{th}$ 层特征的评估值 $SC\_Index_i$ 低于阈值 $T$ 时,停止遍历循环,并剪掉从 $i+2$ 到 $N$ 的层。这一设计的动机在于,当第 $i^{th}$ 层特征的评估值低于与顶部层特征评估相比的某个阈值时,分类头将无法有效地区分当前特征。因此, ${i+1}^{th}$ 层的输出特征是分类头能够很好地区分的最低层,剪掉从 $i+1$ 向下的层会对模型的性能产生显著影响。

主要实验结果




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