当用户基于各种原因学习并使用了一种框架的时候,常常会发现应用或者再训练的场景改变了,比如用户用 Caffe 训练好了一个图像识别的模型,但是生产环境是使用 TensorFlow 做预测。再比如某机构主要以TensorFlow作为基础的深度学习开发框架,现在有一个深度算法项目,需要将其部署在移动设备上,并希望使用速度较优的ncnn前向框架,以观测变现等等。传统地我们可能需要用tf重写Caffe,或用Caffe2重写tf,然后再训练参数,试想这将是一个多么耗时耗力的过程。
因此,深度学习模型转换技术在AI工程化中将变得越来越重要。具体分为深度学习模型简介、深度学习模型转换技术和模型转换之实战这三部分内容,并在文章的最后作了简单的总结。
深度学习模型是指一种包含深度神经网络结构的机器学习模型。算法工程师使用某种深度学习框架构建好模型,经调参和训练优化后,将最终生成的网络参数和模型结构一并保存,得到的文件即为可用于前向推理的模型文件。不同深度学习框架训练得到的模型文件的格式不尽相同,但完整的模型文件一般都包含了张量数据、运算单元和计算图等信息。
具体关于张量数据、运算单元和计算图等信息本文不在阐述,读者可自行百度。
这里简单介绍一些经典的深度神经网络模型其中CV领域的模型之间的关系可参考图1。
2012年,Alex Krizhevsky、Ilya Sutskever在多伦多大学Geoff Hinton的实验室设计出了一个深层的卷积神经网络AlexNet,夺得了2012年ImageNet LSVRC的冠军。AlexNet可以说是具有历史意义的一个网络结构,在此之前,深度学习已经沉寂了很长时间,自2012年AlexNet诞生之后,后面的ImageNet冠军都是用卷积神经网络(CNN)来做的,并且层次越来越深,使得CNN成为在图像识别分类的核心算法模型,带来了深度学习的大爆发。
VGG又分为VGG16和VGG19,分别在AlexNet的基础上将层数增加到16和19层,它除了在识别方面很优秀之外,对图像的目标检测也有很好的识别效果,是目标检测领域的较早期模型。
GoogLeNet除了层数加深到22层以外,主要的创新在于它的Inception,这是一种网中网(Network In Network) 的结构,即原来的节点也是一个网络。用了Inception之后整个网络结构的宽度和深度都可扩大,能够带来2到3倍的性能提升。
ResNet直接将深度拉到了152层, 其主要的创新在于残差网络, 其实这个网络的提出本质上是要解决层次比较深时无法训练的问题。 这种借鉴了Highway Network思想的网络, 相当于旁边专门开个通道使得输入可以直达输出, 而优化的目标由原来的拟合输出H(x) 变成输出和输入的差H(x)-x, 其中H(x) 是某一层原始的期望映射输出, x是输入。
2017年,Google提出的适用于手机端的神经网络模型——MobileNet。MobileNet的精华在于卷积方式——Depthwise separable convolution;采用深度可分离卷积会涉及到两个超参数来减少参数量和计算量:
2018年年底,谷歌AI团队新发布的BERT模型,在NLP业内引起巨大反响,认为是NLP领域里程碑式的进步。BERT模型在机器阅读理解顶级水平测试SQuAD1.1中表现出惊人的成绩:全部两个衡量指标上全面超越人类,并且还在11种不同NLP测试中创出最佳成绩,包括将GLUE基准推至80.4%(绝对改进7.6%),MultiNLI准确度达到86.7%(绝对改进率5.6%)等。BERT模型是以Transformer编码器来表示的NLP词向量模型。相信2019年会有越来越多的NLP模型潜入BERT技术,并刷新各子领域的state-of-the-art!
目前PC端主流的深度学习框架有TensorFlow、Keras、Pytorch、Caffe、CNTK等(如图2所示)。
TensorFlow 是一个开放源代码软件库,是很多主流框架的基础或者依赖。TensorFlow背后因站着Google,一经推出就获得了极大的关注,并迅速成为如今用户最多的深度学习框架。该框架几乎能满足所有机器学习开发的功能, 但是也有由于其功能代码过于底层,学习成本高,代码冗繁,编程逻辑与常规不同等缺点。
Keras是一个高层神经网络API,由纯Python编写而成并使用TensorFlow、Theano及CNTK作为后端。Keras为支持快速实验而生,能够把想法迅速转换为结果。Keras应该是深度学习框架之中最容易上手的一个,它提供了一致而简洁的API, 能够极大地减少一般应用下用户的工作量,避免用户重复造轮子。
2017年1月,Facebook人工智能研究院(FAIR)团队在GitHub上开源了Pytorch,并迅速占领GitHub热度榜榜首。Pytorch是由Lua Torch发展而来,但它不是简单地对封装Lua Torch提供Python接口,而是对Tensor之上的所有模块进行了重构,并新增了最先进的自动求导系统。虽然相比tf要年轻很多,但其流行度的增速十分迅猛,目前已成为当下最流行的动态图框架。它支持TensorFlow尚不支持的一些机制。
Pytorch的设计追求最少的封装,尽量避免重复造轮子。不像TensorFlow中充斥着session、graph、operation、name_scope、variable、tensor、layer等全新的概念,Pytorch的设计遵循tensor→variable(autograd)→nn.Module 三个由低到高的抽象层次,分别代表高维数组(张量)、自动求导(变量)和神经网络(层/模块),而且这三个抽象之间联系紧密,可以同时进行修改和操作。简洁的设计带来的另外一个好处就是代码易于理解。Pytorch的源码只有TensorFlow的十分之一左右,更少的抽象、更直观的设计使得Pytorch的源码十分易于阅读。
Caffe全称为Convolutional Architecture for Fast Feature Embedding,是一个被广泛使用的开源深度学习框架。Caffe的核心概念是Layer,每一个神经网络的模块都是一个Layer。Layer接收输入数据,同时经过内部计算产生输出数据。设计网络结构时,只需要把各个Layer拼接在一起构成完整的网络(通过写protobuf配置文件定义)。Caffe最开始设计时的目标只针对于图像,没有考虑文本、语音或者时间序列的数据,因此Caffe对卷积神经网络的支持非常好,但对时间序列RNN、LSTM等支持得不是特别充分。Caffe的一大优势是拥有大量的训练好的经典模型(AlexNet、VGG、Inception)乃至其他state-of-the-art (ResNet等)的模型,收藏在它的Model Zoo(github.com/BVLC/Caffe/wiki/Model-Zoo)。
在这顺便简单介绍一下目前移动端流行的深度学习框架。目前的移动框架一般都是前向推理框架,即只含推理(inference)功能,使用的模型文件需要通过离线的方式训练得到。
Caffe2: Facebook新的开源深度学习框架。与之前的Pytorch不同,Caffe2专门用于将深度学习移植到移动应用程序。Caffe2官方教程以Python语言为主,是一个轻量化的深度学习算法框架,为移动端实时计算做了很多优化,方便机器学习算法和模型大规模部署在移动设备。
腾讯的FeatherCNN和ncnn:这两个框架都是腾讯出的,FeatherCNN来自腾讯AI平台部,ncnn来自腾讯优图。ncnn开源早点,文档、相关代码丰富一些,目前流行度很高。ncnn的官网宣称ncnn目前已支持Caffe2和Pytorch的模型转换。
小米的 MACE:它有几个特点:异构加速、汇编级优化、支持各种框架的模型转换,该框架还支持GPU运算,且不限于高通,这点很通用,很好,比如瑞芯微的RK3299就可以同时发挥出cpu和GPU的好处。
TFLite:无缝支持通过TensorFlow训练好的神经网络模型。只需要几个简单的步骤就可以完成桌面模型到移动端模型的转换。但通常情况下TFLite框架的运行效率要比上述的一些框架低。
目前的转换技术在设计思路上主要存在两种差异:
一种是直接将模型从现有框架转换为适合目标框架使用的格式,我们在这称此技术为直接转换技术;
另外一种是针对深度学习设计一种开放式的文件规范,而主流深度学习框架最终都能实现对这种规范标准的支持,这种技术的代表是开放式神经网络切换框架——ONNX技术。
转换器实现模型文件转换的基本原理涉及一下几步:
转换器如能将现有模型文件直接转换为生产环境支持的格式,这在操作上会给使用者带来很大的便利。但因市面上存在的深度学习框架众多(超过10种),目前还没有一种转换器能够实现所有模型文件之间的转换。我在这列出部分可实现不同框架迁移的模型转换器,如图3所示。更完整的列表请参考:https://github.com/jasonaidm/deep-learning-model-convertor
可以看出,目前既有机构,也有个人开发一些特定场景的模型转换器。其中最有名的模型转换器当属微软于2018年开源的MMdnn框架。下面我将多花点篇幅来介绍这个框架。
MMdnn实质上是一套用于转换、可视化深度神经网络模型的综合性解决方案。MMdnn中的「MM」代表模型管理,「dnn」的意思是深度神经网络,它能够通过中间表征格式让训练模型在Caffe、Keras、MXNet、TensorFlow、CNTK、Pytorch和CoreML等深度学习框架之间转换(如图4所示),帮助开发者实现模型在不同框架之间的交互。MMdnn主要有以下特征:
ONNX是一种针对机器学习所设计的开放式的文件格式,用于存储训练好的模型。它使得不同的人工智能框架(如Pytorch, MXNet)可以采用相同格式存储模型数据并交互。 ONNX的规范及代码主要由微软,亚马逊 ,Facebook 和 IBM 等公司共同开发,形成强大的深度学习开源联盟,并将源代码托管在Github上(地址: https://github.com/ONNX),谷歌一直在围绕TensorFlow和谷歌云的深度学习开发自己的独立生态,所以暂时不太会加入到这个联盟中来。目前官方支持加载ONNX模型并进行推理的深度学习框架有:
Caffe2, Pytorch, MXNet,ML.NET,TensorRT 和 Microsoft CNTK, TensorFlow也有非官方的支持ONNX,目前处于实验阶段。
ONNX 定义了一种可扩展的计算图模型、一系列内置的运算单元(OP)和标准数据类型。每一个计算流图都定义为由节点组成的列表,并构建有向无环图。其中每一个节点都有一个或多个输入与输出,每一个节点称之为一个 OP。这相当于一种通用的计算图,不同深度学习框架构建的计算图都能转化为它。事实上,上节介绍的一些模型文件转换器其内部实现机制也借用了ONNX技术。目前ONNX支持的框架和基于ONNX的转换器如下图6所示。具体可参考此链接:链接
此部分内容大部分直译官方文档:链接
模型结构的主要目的是将**元数据(meta data)与图形(graph)**相关联,图形包含所有可执行元素。首先,读取模型文件时需使用元数据,实现提供所需的信息,以确定它是否能够执行模型、生成日志消息、错误报告等功能。此外元数据对工具很有用,例如IDE和模型库,它需要它来告知用户给定模型的目的和特征。
每个模型必须明确命名运算单元,命名方式依赖于运算单元的功能。运算单元集定义可用的操作符、版本和状态。所有模型都隐式导入默认的ONNX运算单元集。
序列化图由一组元数据字段(metadata),模型参数列表(a list of model parameters)和计算节点列表组成(a list of computation nodes)。每个计算数据流图被构造为拓扑排序的节点列表,这些节点形成图形,其必须是无循环的。 每个节点代表对运算单元的调用。 每个节点具有零个或多个输入以及一个或多个输出。
图表具有以下属性:
每个图形必须定义其输入和输出的名称和类型,它们被指定为“值信息”结构,具有以下属性:
所有名称必须遵守C标识符语法规则。节点,输入,输出,初始化器和属性的名称被组织到多个命名空间中。在命名空间内,每个给定图形的每个名称必须是唯一的。
数据类型存在两种官方的ONNX变体,两者在支持的数据类型和支持的运算单元中存在区别。对于支持的数据类型,ONNX定义只识别张量作为输入和输出类型。而经典的机器学习扩展——ONNX-ML,还可识别序列和maps。对于计算图graph和节点node的输入和输出、计算图的初始化,ONNX支持 原始数字、字符串和布尔类型,但必须用作张量的元素。
张量元素类型:
其他规范如Input / Output Data Types、Attribute Types等都在官网上有申明,这里就不再罗列了。
ONNX拥有非常明确的、严格的神经网络框架标准,并且拥有非常详细的官方文档。此外,它还支持非常多的运算单元,而且还在高频地增加新的operators。目前官网列出的operators已达134种,具体名单请参考:链接
ONNX支持用户新增operator,以解决特殊场景特殊模型的转换,并给出新增operator的规范步骤:链接
待续
原文链接:https://blog.csdn.net/jasonaidm/article/details/90522615