用PaddlePaddle 实现目标检测任务——Paddle Fluid v1.1深度测评

1.前言

11月1日，百度发布了Paddle Fluid的1.1版本，作为国内首个深度学习框架，PaddlePaddle对中文社区非常友好，有完善的中文社区、项目为导向的中文教程，可以让更多中文使用者更方便地进行深度学习、机器学习相关的研究和实践。我本人也非常希望PaddlePaddle能够不断发展壮大，毕竟这是国内公司为开源社区做出的一项非常有意义的贡献。为了一探Paddle Fluid 1.1版本究竟做了哪些方面的更新，笔者第一时间安装了新发布的版本，用一个基于SSD的目标检测任务来测试一下新版PaddlePaddle的表现。

 

2.什么是目标检测

            图像识别对于做视觉的同学来说应该是一个非常熟悉的任务了，最初深度学习就是是应用于图像识别任务的，举例来说，给计算机一张汽车图片，让它判断这图片里有没有汽车。

对于背景干净的图片来说，这样做很有意义也比较容易。但是如果是一张包含丰富元素的图片，不仅识别难度大大提高，仅仅判断出里面有没有图片的意义也不大了，我们需要找到到底在读片的什么位置出现了一辆汽车，这就提出了一个新的任务和需求——目标检测。

我们的任务就是给定一张图像或是一个视频帧，让计算机找出其中所有目标的位置，并给出每个目标的具体类别。对于人类来说，目标检测是一个非常简单的任务。然而，计算机能够“看到”的是图像被编码之后的数字，很难解图像或是视频帧中出现了人或是物体这样的高层语义概念，也就更加难以定位目标出现在图像中哪个区域。

与此同时，由于目标会出现在图像或是视频帧中的任何位置，目标的形态千变万化，图像或是视频帧的背景千差万别，诸多因素都使得目标检测对计算机来说是一个具有挑战性的问题。目前主流的方法是FasterRCNN、YOLO和SSD，本文使用SSD进行实验。

3.PaddlePaddle简介

            第一次听到PaddlePaddle是在CCF前线研讨会上，当时几个人聊起来关于机器学习算法平台的事情，有一位小伙伴提起了这个名字，所以一段时间以来我一直认为这是一个机器学习算法平台。直到16年百度开源了PaddlePaddle我才知道，原来这是一个可以跟TensorFlow媲美的深度学习框架，主打“易用、高效、灵活、可扩展”。所以，简单来说，PaddlePaddle就是百度自研的一套深度学习框架（看过发布会后了解到，百度为此建立了一套覆盖面非常广的生态，包括金融、推荐、决策等，但笔者主要是对PaddlePaddle的核心框架进行测评，不在此浪费过多笔墨了）。

3.1如何安装

笔者的工作站是Ubuntu 16.04系统，PaddlePaddle在CentOS和Ubuntu都支持pip安装和docker安装，GPU版本在Linux下也可以完美适配。下面来看一下具体的安装步骤。

首先我们使用cat /proc/cpuinfo | grep avx2来查看我们的Ubuntu系统是否支持avx2指令集，如果发现系统返回了如下一系列信息，就说明系统是支持avx2指令集的，可以放心进行后续安装。如果不支持也没关系，在官网上可以直接下载no_avx的whl包进行安装。

            接下来使用pip安装最新的Fluid v1.1版本的PaddlePaddle(GPU)，在安装前注意，需要在机器上安装python3.5-dev才可以用pip安装PaddlePaddle。下载速度会比较慢，需要20分钟左右的下载时间。

安装完成后，在python里import paddle测试一下，如果成功导入则说明安装成功！

 

            在更新的Paddle Fluid v1.1版本中还特意优化了对MacOS的支持，可以直接通过pip安装，也可以用源码编译安装。具体细节可参考：http://www.paddlepaddle.org/documentation/docs/zh/1.1/beginners_guide/install/Start.html

3.2PaddlePaddle的计算描述方式

框架的计算描述方式是深度学习项目开发者非常关注的一个问题。计算的描述方式经历了从Caffe1.0时代的一组连续执行的layers到TensorFlow的变量和操作构成的计算图再到PaddlePaddle Fluid[1]提出不再有模型的概念一系列的演变。那么PaddlePaddle现在是怎么描述计算的呢？

            PaddlePaddle使用Program来描述模型和优化过程，可以把它简单理解为数据流的控制过程。Program由Block、Operator和Variable构成，variable和operator被组织成为多个可以嵌套的block。具体的，如果要实现一个神经网络，我们只需要通过添加必要的variable、operator来定义网络的前向计算，而反向计算、内存管理、block创建都由框架来完成。下面展示一下如何在PaddlePaddle中定义program：

以一个简单的线性回归为例，我们这样定义前向计算逻辑：

#定义输入数据类型

x=fluid.layers.data(name="x",shape=[1],dtype='float32')

#搭建全连接网络

y_predict=fluid.layers.fc(input=x,size=1,act=None)

定义好计算逻辑后，与TensorFlow一样，下一步就需要定义损失函数，feed数据，开始训练，feed数据也是在执行运算的时候进行，我们先定义一下数据，这里train_data 就是我们的输入数据，y_true是label：

train_data=numpy.array([[1.0],[2.0],[3.0],[4.0]]).astype('float32')

y_true = numpy.array([[2.0],[4.0],[6.0],[8.0]]).astype('float32')

添加均方误差损失函数(MSE)，框架会自动完成反向计算：

cost = fluid.layers.square_error_cost(input=y_predict,label=y)

avg_cost = fluid.layers.mean(cost)

执行我们定义的上述Program：

cpu = fluid.core.CPUPlace()

exe = fluid.Executor(cpu)

exe.run(fluid.default_startup_program())

#开始训练

outs = exe.run(

    feed={'x':train_data,'y':y_true},

    fetch_list=[y_predict.name,avg_cost.name])

#观察结果

print outs

输出结果：

[array([[0.9010564],

    [1.8021128],

    [2.7031693],

    [3.6042256]], dtype=float32), array([9.057577], dtype=float32)]

这样就用PaddlePaddle实现了简单的计算流程，个人感觉使用起来跟TensorFlow的相似度较高，习惯在TensorFlow上跑模型的小伙伴应该很容易适应PaddlePaddle的这一套生态。

            关于PaddlePaddle计算描述的详情可以参考Fluid编程指南：http://www.paddlepaddle.org/documentation/docs/zh/1.1/beginners_guide/programming_guide/programming_guide.html

3.3PaddlePaddle的模型库简介

    PaddlePaddle的核心框架内置了非常多的经典模型和网络，涵盖了几乎所有主流的机器学习/深度学习任务，包括图像、语音、自然语言处理、推荐等诸多方面。因为本文是做目标检测，所以主要调研了一下图像方面的模型库，在此大致介绍一下。

            3.3.1分类

分类任务中的模型库是最全面的，AlexNet、VGG、GoogleNet、ResNet、Inception、MobileNet、Dual Path Network以及SE-ResNeXt，2012年以来的经典图像识别网络都包含其中，每个网络模型是一个独立的py文件，里面是这个网络模型的类，类里面公用的方法是net()，在调用时初始化对应的类之后调用.net()方法，就可以得到对应网络的Program描述，之后只需要给网络feed数据、定义损失函数、优化方法等就可以轻松使用了。分类模型作为图像任务的基础任务，在目标检测、语义分割等任务中都会重复利用这些模型，所以这样一个模型库可以为大大简化后续任务的开发工作。这部分的模型库里的写法比较统一，只要了解网络结构，用.net()方法调用就可以，这里就不一一介绍了，具体可以参考：https://github.com/PaddlePaddle/models/tree/develop/fluid/PaddleCV/image_classification/models。

 

3.3.2目标检测

SSD

Single Shot MultiBox Detector (SSD) 是一种单阶段的目标检测器。与两阶段的检测方法不同，单阶段目标检测并不进行区域推荐，而是直接从特征图回归出目标的边界框和分类概率。SSD 运用了这种单阶段检测的思想，并且对其进行改进：在不同尺度的特征图上检测对应尺度的目标。如下图所示，SSD 在六个尺度的特征图上进行了不同层级的预测。每个层级由两个3x3卷积分别对目标类别和边界框偏移进行回归。因此对于每个类别，SSD 的六个层级一共会产生38x38x4 + 19x19x6 + 10x10x6 + 5x5x6 + 3x3x4 + 1x1x4 = 8732 个检测结果。

 

SSD 目标检测模型

 

SSD 可以方便地插入到任何一种标准卷积网络中，比如VGG、ResNet 或者MobileNet，这些网络被称作检测器的基网络。PaddlePaddle里的SSD使用Google的MobileNet作为基网络。

目标检测模型库不同于分类模型库，PaddlePaddle是以一个工程的形式提供SSD的模型库。工程里面包含如下文件：

其中，train.py、reader.py、mobilenet_ssd.py是与网络训练相关的文件，包括数据读取、网络结构、训练参数等过程的定义都在这3个文件中；eval.py、eval_coco_map.py是网络预测评估相关文件；infer.py是可视化预测结果相关文件。Data文件夹用于存储数据集，使用时可以把训练集、测试集、验证集放在data目录下，reader会在data目录下寻找图片数据加载；pretrained目录存放预训练模型，如果不想从头训练一个SSD，可以把预训练好的模型放在这个目录下，方便进行迁移学习。

4.PaddlePaddle实现SSD的目标检测

有了上述的一些基础，我们就可以轻松使用PaddlePaddle上手一些项目了。现在我们就来实现一个基于SSD的目标检测任务。

4.1服务器配置

            系统：Ubuntu 16.04

            GPU：NVIDIA GTX 1080*4 显存：8GB

            环境：python 3.5

4.2框架配置

            Paddle Fluid v1.1 GPU版本

4.3数据准备

            我们使用微软的COCO2017数据集来预训练模型（PaddlePaddle提供了一个基于COCO的预训练模型，可以直接使用），COCO数据集是微软团队获取的一个可以用来图像recognition+segmentation+captioning 数据集，其官方说明网址：http://mscoco.org/。微软在ECCV Workshops里发表文章《Microsoft COCO: Common Objects in Context》更充分地介绍了该数据集。COCO以场景理解为目标，从复杂场景中截取了328,000张影像，包括了91类目标和2,500,000个label。整个COCO2017数据集20G，官网下载非常慢，可以在国内找一些镜像站下载，数据集里分好了训练集、测试集和验证集，标注和file_list用json文件保存。

            拿到预训练数据集后，我们在Pascal VOC数据集上对模型进行进一步训练，做一下微调。Pascal VOC数据集相较COCO数据集来说图片数量和种类小很多，共计20类，11540张训练图片，标注采用xml格式文件保存。

4.4数据读取

            图片格式为jpg，需要对图像进行转码读取，SSD中的reader.py文件帮助我们实现了这个功能，内置的数据读取使用了一个生成器来逐个batch读取图片并转码，这样内存占用率非常低。由于我们机器内存不大，设置的batch为32，在此情况下load十万张图片的annotation只需要17秒左右，每一个batch的load+train时间只需要0.3秒左右。

可以看一下这个reader的核心代码：

    defreader():

        ifmode =='train'andshuffle:

            np.random.shuffle(images)

        batch_out =[]

        forimage inimages:

            image_name =image['file_name']

            image_path =os.path.join(settings.data_dir,image_name)

 

            im =Image.open(image_path)

            ifim.mode =='L':

                im =im.convert('RGB')

            im_width,im_height =im.size

            im_id =image['id']

 

            # layout: category_id | xmin | ymin | xmax | ymax | iscrowd

            bbox_labels =[]

            annIds =coco.getAnnIds(imgIds=image['id'])

            anns =coco.loadAnns(annIds)

            forann inanns:

                bbox_sample =[]

                # start from 1, leave 0 to background

                bbox_sample.append(float(ann['category_id']))

                bbox =ann['bbox']

                xmin,ymin,w,h =bbox

                xmax =xmin +w

                ymax =ymin +h

                bbox_sample.append(float(xmin)/im_width)

                bbox_sample.append(float(ymin)/im_height)

                bbox_sample.append(float(xmax)/im_width)

                bbox_sample.append(float(ymax)/im_height)

                bbox_sample.append(float(ann['iscrowd']))

                bbox_labels.append(bbox_sample)

            im,sample_labels =preprocess(im,bbox_labels,mode,settings)

            sample_labels =np.array(sample_labels)

            iflen(sample_labels)==0:continue

            im =im.astype('float32')

            boxes =sample_labels[:,1:5]

            lbls =sample_labels[:,0].astype('int32')

            iscrowd =sample_labels[:,-1].astype('int32')

            if'cocoMAP'insettings.ap_version:

                batch_out.append((im,boxes,lbls,iscrowd,

                                  [im_id,im_width,im_height]))

            else:

                batch_out.append((im,boxes,lbls,iscrowd))

            iflen(batch_out)==batch_size:

                yieldbatch_out

                batch_out =[]

可以看到，这里的reader是一个生成器，逐个batch把数据load进内存。在数据读取过程中，需要注意一下几点：

1. 数据集需要放在项目的data目录下，reader通过annotations下的instances_train2017.json文件区分训练集和验证集，不需要在data目录下用文件夹区分训练集和验证集。

2. 如果数据没有按要求保存，则需要在reader.py修改数据路径：

classSettings(object):

    def__init__(self,

                 dataset=None,

                 data_dir=None,

                 label_file=None,

                 resize_h=300,

                 resize_w=300,

                 mean_value=[127.5,127.5,127.5],

                 apply_distort=True,

                 apply_expand=True,

                 ap_version='11point'):

        self._dataset =dataset

        self._ap_version =ap_version

        # 把data_dir替换为数据所在路径

        self._data_dir =data_dir

        if'pascalvoc'indataset:

            self._label_list =[]

            label_fpath =os.path.join(data_dir,label_file)

            forline inopen(label_fpath):

                self._label_list.append(line.strip())

3. 如果遇到NoneType is not iterable的错误，一般是由于数据读取错误导致的，仔细检查文件路径应该可以解决。

4. 读取PascalVOC数据集用reader.py文件中的pascalvoc()函数，两个数据集的文件结构和标注不太一样，Paddle为我们写好了两个版本数据集的读取方法，可以直接调用。

4.5模型训练

            数据读取完成后，就可以着手开始模型的训练了，这里直接使用PaddlePaddle SSD model里面的train.py进行训练：

python-u train.py 

train.py里为所有的超参数都设置了缺省值，不熟悉PaddlePaddle参数调整的工程师可以直接用缺省参数进行训练，非常方便。如果需要，可以根据下表进行对应超参数的修改：

参数名	类型	意义
learning_rate	Float	学习率
batch_size	Int	Batch大小
epoc_num	Int	迭代次数
use_gpu	Bool	是否使用GPU训练
parallel	Bool	是否使用多卡训练
dataset	Str	数据集名称
model_save_dir	Str	模型保存路径
pretrained_model	Str	预训练模型路径(如果使用)
image_shape	Str	输入图片尺寸
data_dir	Str	数据集路径

在执行脚本时，传入相应的参数值即可，例如：

python-u train.py --batch_size=16--epoc_num=1--dataset='pascalvoc'--pretrained_model='pretrain/ssd_mobilenet_v1_coco/'

      

4.5.1单机多卡配置

  单机多卡的配置相较于多机多卡配置较为简单，参数需要先在GPU0上初始化，再经由fluid.ParallelExecutor() 分发到多张显卡上。这里可以使用fluid.core.get_cuda_device_count()得到可用显卡数量，也可以自己定义用几张显卡。

train_exe=fluid.ParallelExecutor(use_cuda=True,loss_name=loss.name,

                             main_program=fluid.default_main_program())

train_exe.run(fetch_list=[loss.name],feed={...})

4.5.2参数调整

PaddlePaddle这一套SSD模型给了使用者非常大的自由度，可以对网络结构、损失函数、优化方法等多个角度对模型进行调整。本文采用的是基于MobileNet的SSD，如果想使用基于VGG的SSD，可以自己修改工程中的mobilenet_ssd.py文件，把里面定义的MobileNet Program更改为VGG的Program描述就可以了；如果需要修改损失函数或优化方法，则在train.py中找到build_program()函数，在

withfluid.unique_name.guard("train"):

     loss =fluid.layers.ssd_loss(locs,confs,gt_box,gt_label,box,

                        box_var)

     loss =fluid.layers.reduce_sum(loss)

     optimizer =optimizer_setting(train_params)

     optimizer.minimize(loss)

里修改损失函数或优化器即可；修改batch_num、epoch_num、learning rate等参数可以直接在train.py传入参数中进行。

4.5.3模型保存

模型在COCO数据集上训练完后，可以用fluid.io.save_persistables()方法将模型保存下来，我们实现了如下save_model()函数来将模型保存到指定路径。

defsave_model(postfix,main_prog,model_path):

    model_path =os.path.join(model_save_dir,postfix)

    ifos.path.isdir(model_path):

        shutil.rmtree(model_path)

    print('save models to %s'%(model_path))

    fluid.io.save_persistables(exe,model_path,main_program=main_prog)

 

4.5.4继续训练

训练过程有时候会被打断，只要每个过几个batch保存一下模型，我们就可以通过load_vars()方法来恢复已经保存的模型来继续训练或者用于预测。文中提到的这些API，大家可以去PaddlePaddle的官网教程上进行更系统的学习和查看，PaddlePaddle提供了大量的中文文档和使用教程，对中文使用者可以说是非常友好的了。

fluid.io.load_vars(exe,pretrained_model,main_program=train_prog,predicate=if_exist)

4.5.5性能参数

            训练速度：在COCO2017数据集上单卡训练，迭代1个epoch耗时3 min33s；单机4卡训练，迭代1个epoch耗时1min02s。

            CPU/GPU占用率：正常训练情况下CPU占用率在40%-60%之间，GPU占用率稳定在50%左右。

CPU/GPU使用情况

4.6模型评估

            在PaddlePaddle的SSD模型中，可以使用eval.py脚本进行模型评估，可以选择11point、integral等方法来计算模型在验证集上的mAP。

python eval.py --dataset='pascalvoc'--model_dir='train_pascal_model/best_model'--data_dir='data/pascalvoc'--test_list='test.txt'--ap_version='11point'--nms_threshold=0.45

            其中，model_dir是我们训练好的模型的保存目录，data_dir是数据集目录，test_list是作为验证集的文件列表（txt文件），前提是这些文件必须要有对应的标签文件，ap_version是计算mAP的方法，nms_threshold是分类阈值。最后我们得到PaddlePaddle SSD模型在Pascal VOC数据集上的mAP为73.32%[2]

模型	预训练模型	训练数据	测试数据	mAP
MobileNet-v1-SSD 300x300	COCO MobileNet SSD	VOC07+12 trainval	VOC07 test	73.32%

 

 

4.7模型预测及可视化

4.7.1模型预测

模型训练完成后，用test_program = fluid.default_main_program().clone(for_test=True)将Program转换到test模式，然后把要预测的数据feed进Executor执行Program就可以计算得到图像的分类标签、目标框的得分、xmin、ymin、xmax、ymax。具体过程如下：

test_program=fluid.default_main_program().clone(for_test=True)

image=fluid.layers.data(name='image',shape=image_shape,dtype='float32')

locs,confs,box,box_var =mobile_net(num_classes,image,image_shape)

nmsed_out=fluid.layers.detection_output(

locs,confs,box,box_var,nms_threshold=args.nms_threshold)

place=fluid.CUDAPlace(0)ifargs.use_gpu elsefluid.CPUPlace()

exe =fluid.Executor(place)

nmsed_out_v,=exe.run(test_program,

                       feed=feeder.feed([[data]]),

                       fetch_list=[nmsed_out],

                       return_numpy=False)

nmsed_out_v=np.array(nmsed_out_v)

 

4.7.2预测结果可视化

对于目标检测任务，我们通常需要对预测结果进行可视化进而获得对结果的感性认识。我们可以编写一个程序，让它在原图像上画出预测框，核心代码如下：

defdraw_bounding_box_on_image(image_path,nms_out,confs_threshold,

                               label_list):

    image =Image.open(image_path)

    draw =ImageDraw.Draw(image)

    im_width,im_height =image.size

 

    fordt innms_out:

        ifdt[1]<confs_threshold:

            continue

        category_id =dt[0]

        bbox =dt[2:]

        xmin,ymin,xmax,ymax =clip_bbox(dt[2:])

        (left,right,top,bottom)=(xmin *im_width,xmax *im_width,

                                      ymin *im_height,ymax *im_height)

        draw.line(

            [(left,top),(left,bottom),(right,bottom),(right,top),

             (left,top)],

            width=4,

            fill='red')

        ifimage.mode =='RGB':

            draw.text((left,top),label_list[int(category_id)],(255,255,0))

    image_name =image_path.split('/')[-1]

    print("image with bbox drawed saved as {}".format(image_name))

    image.save(image_name)

这样，我们可以很直观的看到预测结果：

令人欣喜的是，PaddlePaddle的SSD模型中帮我们实现了完整的一套预测流程，我们可以直接运行SSD model下的infer.py脚本使用训练好的模型对图片进行预测：

python infer.py --dataset='coco'--nms_threshold=0.45--model_dir='pretrained/ssd_mobilenet_v1_coco'--image_path='./data/ pascalvoc/VOCdevkit/VOC2012/JPEGImages/2007_002216.jpg'

 

4.8模型部署

            PaddlePaddle的模型部署需要先安装编译C++预测库，可以在http://www.paddlepaddle.org/documentation/docs/zh/1.1/user_guides/howto/inference/build_and_install_lib_cn.html下载安装。预测库中提供了Paddle的预测API，预测部署过程大致分为三个步骤：1.创建PaddlePredictor；2.创建PaddleTensor传入PaddlePredictor中；3.获取输出PaddleTensor，输出结果。这部分操作也并不复杂，而且Paddle的教程中也提供了一份部署详细代码参考，大家可以很快地利用这个模板完成模型部署(https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/tree/develop/paddle/fluid/inference/api/demo_ci)

5.使用感受

ü 中文社区支持好

在搭建SSD过程中，遇到了一些问题，例如segmentation fault、NoneType等，笔者直接在paddle的GitHub上提了相关issue，很快就得到了contributor的回复，问题很快得到了解决。

ü 教程完善

PaddlePaddle的官网上提供了非常详尽的中英文教程，相较于之前学TensorFlow的时候经常看文档看半天才能理解其中的意思，PaddlePaddle对于中文使用者真是一大福音。

ü 相比较TensorFlow，整体架构简明清晰，没有太多难以理解的概念。

ü 模型库丰富

内置了CV、NLP、Recommendation等多种任务常用经典的模型，可以快速开发迭代AI产品。

ü 性能优越，生态完整

从这次实验的结果来看，PaddlePaddle在性能上与TensorFlow等主流框架的性能差别不大，训练速度、CPU/GPU占用率等方面均表现优异，而且PaddlePaddle已经布局了一套完整的生态，前景非常好。

6.总结

            整体来说，PaddlePaddle是一个不错的框架。由于设计简洁加之文档、社区做的很好，非常容易上手，在使用过程中也没有非常难理解的概念，用fluid Program定义网络结构很方便，对于之前使用过TensorFlow的工程师来说可以比较快速的迁移到PaddlePaddle上。这次实验过程中，还是发现了一些PaddlePaddle的问题，训练过程如果意外终止，Paddle的训练任务并没有被完全kill掉，依然会占用CPU和GPU大量资源，内存和显存的管理还需要进一步的提高。不过，实验也证实了，正常情况下PaddlePaddle在SSD模型上的精度、速度等性能与TensorFlow差不多，在数据读取操作上比TensorFlow要更加简洁明了。

 

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[1]PaddlePaddle Fluid是2016年百度对原有PaddlePaddle的重构版本，如无特殊说明，本文中所述PaddlePaddle均指PaddlePaddle Fluid。

[2]此处引用了官方的评估结果，数据来源：https://github.com/PaddlePaddle/models/blob/develop/fluid/PaddleCV/object_detection/README_cn.md#%E6%A8%A1%E5%9E%8B%E8%AF%84%E4%BC%B0