深度学习100问-10：如何部署一个轻量级的深度学习项目？
深度学习100问
Author：louwill
Machine Learning Lab
无论是写论文还是打比赛，我们的深度学习模型始终局限于一种实验的状态。作为一名算法工程师，除了搭建网络和训练模型之外，将深度学习模型应用落地到生产环境也是我们应该要做的。虽然深度学习算法工程师不是后端开发工程师，但懂一些后端开发技术是尤为必要的。
本文以ResNet50预训练模型为例，旨在展示一个轻量级的深度学习模型部署，写一个较为简单的图像分类的REST API。主要技术框架为Keras+Flask+Redis。其中Keras作为模型框架、Flask作为后端Web框架、Redis则是方便以键值形式存储图像的数据库。各主要package版本：
tensorflow 1.14
keras 2.2.4
flask 1.1.1
redis 3.3.8先简单说一下Web服务，一个Web应用的本质无非就是客户端发送一个HTTP请求，然后服务器收到请求后生成一个HTML文档作为响应返回给客户端的过程。在部署深度学习模型时，大多时候我们不需要搞一个前端页面出来，一般是以REST API的形式提供给开发调用。那么什么是API呢？很简单，如果一个URL返回的不是HTML，而是机器能直接解析的数据，这样的一个URL就可以看作是一个API。
先开启Redis服务：
redis-server定义一些配置参数：
IMAGE_WIDTH = 224
IMAGE_HEIGHT = 224
IMAGE_CHANS = 3
IMAGE_DTYPE = "float32"
IMAGE_QUEUE = "image_queue"
BATCH_SIZE = 32
SERVER_SLEEP = 0.25
CLIENT_SLEEP = 0.25指定输入图像大小、类型、batch_size大小以及Redis图像队列名称。
然后创建Flask对象实例，建立Redis数据库连接：
app = flask.Flask(__name__)
db = redis.StrictRedis(host="localhost", port=6379, db=0)
model = None因为图像数据作为numpy数组不能直接存储到Redis中，所以图像存入到数据库之前需要将其序列化编码，从数据库取出时再将其反序列化解码即可。分别定义编码和解码函数：
def base64_encode_image(img):
return base64.b64encode(img).decode("utf-8")
def base64_decode_image(img, dtype, shape):
if sys.version_info.major == 3:
img = bytes(img, encoding="utf-8")
img = np.frombuffer(base64.decodebytes(img), dtype=dtype)
img = img.reshape(shape)
return img另外待预测图像还需要进行简单的预处理，定义预处理函数如下：
def prepare_image(image, target):
# if the image mode is not RGB, convert it
if image.mode != "RGB":
image = image.convert("RGB")
# resize the input image and preprocess it
image = image.resize(target)
image = img_to_array(image)
# expand image as one batch like shape (1, c, w, h)
image = np.expand_dims(image, axis=0)
image = imagenet_utils.preprocess_input(image)
# return the processed image
return image准备工作完毕之后，接下来就是主要的两大部分：模型预测部分和app后端相应部分。先定义模型预测函数如下：
def classify_process():
# 导入模型
print("* Loading model...")
model = ResNet50(weights="imagenet")
print("* Model loaded")
while True:
# 从数据库中创建预测图像队列
queue = db.lrange(IMAGE_QUEUE, 0, BATCH_SIZE - 1)
imageIDs = []
batch = None
# 遍历队列
for q in queue:
# 获取队列中的图像并反序列化解码
q = json.loads(q.decode("utf-8"))
image = base64_decode_image(q["image"], IMAGE_DTYPE,
(1, IMAGE_HEIGHT, IMAGE_WIDTH, IMAGE_CHANS))
# 检查batch列表是否为空
if batch is None:
batch = image
# 合并batch
else:
batch = np.vstack([batch, image])
# 更新图像ID
imageIDs.append(q["id"])
if len(imageIDs) > 0:
print("* Batch size: {}".format(batch.shape))
preds = model.predict(batch)
results = imagenet_utils.decode_predictions(preds)
# 遍历图像ID和预测结果并打印
for (imageID, resultSet) in zip(imageIDs, results):
# initialize the list of output predictions
output = []
# loop over the results and add them to the list of
# output predictions
for (imagenetID, label, prob) in resultSet:
r = {"label": label, "probability": float(prob)}
output.append(r)
# 保存结果到数据库
db.set(imageID, json.dumps(output))
# 从队列中删除已预测过的图像
db.ltrim(IMAGE_QUEUE, len(imageIDs), -1)
time.sleep(SERVER_SLEEP)然后定义app服务：
@app.route("/predict", methods=["POST"])
def predict():
# 初始化数据字典
data = {"success": False}
# 确保图像上传方式正确
if flask.request.method == "POST":
if flask.request.files.get("image"):
# 读取图像数据
image = flask.request.files["image"].read()
image = Image.open(io.BytesIO(image))
image = prepare_image(image, (IMAGE_WIDTH, IMAGE_HEIGHT))
# 将数组以C语言存储顺序存储
image = image.copy(order="C")
# 生成图像ID
k = str(uuid.uuid4())
d = {"id": k, "image": base64_encode_image(image)}
db.rpush(IMAGE_QUEUE, json.dumps(d))
# 运行服务
while True:
# 获取输出结果
output = db.get(k)
if output is not None:
output = output.decode("utf-8")
data["predictions"] = json.loads(output)
db.delete(k)
break
time.sleep(CLIENT_SLEEP)
data["success"] = True
return flask.jsonify(data)Flask使用Python装饰器在内部自动将请求的URL和目标函数关联了起来，这样方便我们快速搭建一个Web服务。
服务搭建好了之后我们可以用一张图片来测试一下效果：
curl -X POST -F [email protected] 'http://127.0.0.1:5000/predict'模型端的返回：
预测结果返回：
最后我们可以给搭建好的服务进行一个压力测试，看看服务的并发等性能如何，定义一个压测文件stress_test.py 如下：
from threading import Thread
import requests
import time
# 请求的URL
KERAS_REST_API_URL = "http://127.0.0.1:5000/predict"
# 测试图片
IMAGE_PATH = "test.jpg"
# 并发数
NUM_REQUESTS = 500
# 请求间隔
SLEEP_COUNT = 0.05
def call_predict_endpoint(n):
# 上传图像
image = open(IMAGE_PATH, "rb").read()
payload = {"image": image}
# 提交请求
r = requests.post(KERAS_REST_API_URL, files=payload).json()
# 确认请求是否成功
if r["success"]:
print("[INFO] thread {} OK".format(n))
else:
print("[INFO] thread {} FAILED".format(n))
# 多线程进行
for i in range(0, NUM_REQUESTS):
# 创建线程来调用api
t = Thread(target=call_predict_endpoint, args=(i,))
t.daemon = True
t.start()
time.sleep(SLEEP_COUNT)
time.sleep(300)测试效果如下：
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参考资料：
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