量化数据均衡预处理

通过数据均衡预处理接口计算出均衡因子，将模型数据与权重进行数学等价换算，均衡模型数据与权重的分布，将数据的量化难度迁移一部分至权重，从而降低量化误差。该特性支持的层及约束如下：

表1 支持的层以及约束

支持的层类型

约束

备注

MatMul

transpose_a=False, transpose_b=False，adjoint_a=False，adjoint_b=False

weight的输入来源不含有placeholder等可动态变化的节点，且weight的节点类型只能是const。

Conv2D

-

Conv3D

dilation_d为1，dilation_h/dilation_w >= 1

DepthwiseConv2dNative

dilation为1

Conv2DBackpropInput

dilation为1

接口调用流程

均衡预处理接口调用流程如图1所示。

图1 均衡预处理接口调用流程
蓝色部分为用户实现，灰色部分为用户调用AMCT提供的API实现，用户在TensorFlow原始网络推理的代码中导入库，并在特定的位置调用相应API，即可实现量化功能。工具运行流程如下：
  1. 用户首先构造TensorFlow的原始模型，然后使用create_quant_config接口生成量化配置文件。
  2. 根据TensorFlow模型和量化配置文件，调用quantize_preprocess接口，对原始TensorFlow模型插入均衡量化相关算子，用于计算均衡量化相关参数。
  3. 用户使用2输出的修改后的模型，借助AMCT提供的数据集和校准集，在TensorFlow环境中进行inference，可以得到均衡因子。

    其中数据集用于在TensorFlow环境中对模型进行推理时，测试量化数据的精度；校准集用来产生均衡因子，保证精度。

  4. 根据TensorFlow模型和量化配置文件，调用quantize_model接口对原始TensorFlow模型进行优化，修改后的模型中插入数据量化、权重量化等相关算子，用于计算量化相关参数。
  5. 用户使用4输出的修改后的模型，借助AMCT提供的数据集和校准集，在TensorFlow环境中进行inference，可以得到量化因子。
  6. 最后用户可以调用save_model接口，插入AscendQuant、AscendDequant等算子，保存为量化模型，该模型既可在TensorFlow环境中进行精度仿真又可以在昇腾AI处理器部署。

调用示例

本章节详细给出量化数据均衡预处理的模板代码解析说明，通过解读该代码，用户可以详细了解AMCT的工作流程以及原理，方便用户基于已有模板代码进行修改，以便适配其他网络模型。

  • 如下示例标有“由用户补充处理”的步骤，需要用户根据自己的模型和数据集进行补充处理，示例中仅为示例代码。
  • 如下示例调用AMCT的部分，函数入参请根据实际情况进行调整。
  1. 导入AMCT包，设置日志级别。 

    1
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    import amct_tensorflow as amct
amct.set_logging_level(print_level='info', save_level='info')

  2. （可选，由用户补充处理）在TensorFlow原始环境中验证推理脚本及环境。

    建议使用原始待量化的模型和测试集，在TensorFlow环境下推理，验证环境、推理脚本是否正常。

    推荐执行该步骤，请确保原始模型可以完成推理且精度正常；执行该步骤时，可以使用部分测试集，减少运行时间。

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    user_do_inference(ori_model, test_data, test_iterations)

  3. （由用户补充处理）根据模型user_model.pb，准备好图结构tf.Graph。 

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    ori_graph = user_load_graph()

  4. 调用AMCT，量化模型。

    1. 生成量化配置。 
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      config_file = './tmp/config.json'
skip_layers = []
batch_num = 1
amct.create_quant_config(config_file=config_file,
			 graph=ori_graph,
			 skip_layers=skip_layers,
			 batch_num=batch_num)
    2. 修改图，在图中插入均衡量化相关的算子，用于计算均衡量化相关参数。 
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      record_file = './tmp/record.txt'
amct.quantize_preprocess(graph=ori_graph,
                    config_file=config_file,
                    record_file=record_file)

      使用AMCT调用quantize_model接口对用户的原始TensorFlow模型进行图修改时，由于插入了searchN层导致尾层输出节点发生改变的场景，可以参见TensorFlow网络模型由于AMCT导致输出节点改变，如何通过修改量化脚本进行后续的量化动作进行处理。如果量化过程存在空tensor输入报错信息，请参见使用训练后量化进行量化时，量化过程存在空tensor输入报错信息进行处理。

    3. （由用户补充处理）使用修改后的图在校准集上做模型推理，计算均衡量化因子。

      该步骤执行时，需要注意如下两点：

      1. 校准集及其预处理过程数据要与模型匹配，以保证量化的精度。
      2. 前向推理的次数为1，如果次数超出1，后续过程会失败。
      1
      		 
      user_do_inference(ori_graph, calibration_data, batch_num)

      校准时提示“Invalid argument: You must feed a value for placeholder tensor **”，则请参见校准时提示“Invalid argument: You must feed a value for placeholder tensor **”进行处理。

    4. 重新载入原始模型，基于原始模型进行修改，在图中插入数据量化，权重量化等相关的算子，用于计算量化相关参数。 
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      ori_graph = user_load_graph()
amct.quantize_model(graph=ori_graph,
                    config_file=config_file,
                    record_file=record_file)

      使用AMCT调用quantize_model接口对用户的原始TensorFlow模型进行图修改时，由于插入了searchN层导致尾层输出节点发生改变的场景，可以参见TensorFlow网络模型由于AMCT导致输出节点改变，如何通过修改量化脚本进行后续的量化动作进行处理。如果量化过程存在空tensor输入报错信息，请参见使用训练后量化进行量化时，量化过程存在空tensor输入报错信息进行处理。

    5. （由用户补充处理）使用修改后的图在校准集上做模型推理，找到量化因子。

      该步骤执行时，需要注意如下两点：

      1. 校准集及其预处理过程数据要与模型匹配，以保证量化的精度。
      2. 前向推理的次数为batch_num，如果次数不够，后续过程会失败。
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      user_do_inference(ori_graph, calibration_data, batch_num)

      校准时提示“Invalid argument: You must feed a value for placeholder tensor **”，则请参见校准时提示“Invalid argument: You must feed a value for placeholder tensor **”进行处理。

    6. 保存模型。
      根据量化因子，调用save_model接口，插入AscendQuant、AscendDequant等算子，保存为量化模型。 
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      quant_model_path = './results/user_model'
amct.save_model(pb_model='user_model.pb',
                outputs=['user_model_outputs0', 'user_model_outputs1'],
                record_file=record_file,
                save_path=quant_model_path)

      保存模型时提示“RuntimeError: cannot find shift_bit of layer ** in record_file”，则请参见保存模型时提示“RuntimeError: record_file is empty, no layers to be quantized”进行处理。

  5. （可选，由用户补充处理）使用量化后模型user_model_quantized.pb和测试集（test_data），在TensorFlow环境下推理，测试量化后的仿真模型精度。

    使用量化后仿真模型精度与2中的原始精度做对比，可以观察量化对精度的影响。 
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2
    		 
    quant_model = './results/user_model_quantized.pb'
user_do_inference(quant_model, test_data, test_iterations)

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