使用 ONNX 将模型从 PyTorch 迁移到 Caffe2 和 Mobile

译者：@片刻

在本教程中, 我们将介绍如何使用 ONNX 将 PyTorch 中定义的模型转换为 ONNX 格式, 然后将其加载到 Caffe2 中. 一旦进入 Caffe2 , 我们可以运行该模型以仔细检查它是否正确导出, 然后演示如何使用 Caffe2 功能(例如移动导出器）在移动设备上执行模型.

在本教程中, 您需要安装 onnx, onnx-caffe2 和 Caffe2. 你可以通过 conda install -c ezyang onnx onnx-caffe2 用 onnx 和 onnx-caffe2 获得二进制版本.

NOTE: 本教程需要 PyTorch 主分支, 可以按照 here 的说明进行安装

# Some standard imports
import io
import numpy as np

from torch import nn
from torch.autograd import Variable
import torch.utils.model_zoo as model_zoo
import torch.onnx

Super-resolution 是提高图像, 视频分辨率的一种方式, 广泛用于图像处理或视频编辑. 对于本教程, 我们将首先使用带有虚拟输入的小型 super-resolution 模型.

首先, 让我们在 PyTorch 中创建一个 SuperResolution 模型. 这个模型 直接来自 PyTorch 的例子而没有修改:

# Super Resolution model definition in PyTorch
import torch.nn as nn
import torch.nn.init as init

class SuperResolutionNet(nn.Module):
    def __init__(self, upscale_factor, inplace=False):
        super(SuperResolutionNet, self).__init__()

        self.relu = nn.ReLU(inplace=inplace)
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 64, (5, 5), (1, 1), (2, 2))
        self.conv2 = nn.Conv2d(64, 64, (3, 3), (1, 1), (1, 1))
        self.conv3 = nn.Conv2d(64, 32, (3, 3), (1, 1), (1, 1))
        self.conv4 = nn.Conv2d(32, upscale_factor ** 2, (3, 3), (1, 1), (1, 1))
        self.pixel_shuffle = nn.PixelShuffle(upscale_factor)

        self._initialize_weights()

    def forward(self, x):
        x = self.relu(self.conv1(x))
        x = self.relu(self.conv2(x))
        x = self.relu(self.conv3(x))
        x = self.pixel_shuffle(self.conv4(x))
        return x

    def _initialize_weights(self):
        init.orthogonal(self.conv1.weight, init.calculate_gain('relu'))
        init.orthogonal(self.conv2.weight, init.calculate_gain('relu'))
        init.orthogonal(self.conv3.weight, init.calculate_gain('relu'))
        init.orthogonal(self.conv4.weight)

# Create the super-resolution model by using the above model definition.
torch_model = SuperResolutionNet(upscale_factor=3)

通常, 你现在要训练这个模型; 但是, 对于本教程, 我们将下载一些预先训练的权重. 请注意, 该模型没有得到充分训练以获得良好的准确性, 因此仅用于演示目的.

# Load pretrained model weights
model_url = 'https://s3.amazonaws.com/pytorch/test_data/export/superres_epoch100-44c6958e.pth'
batch_size = 1    # just a random number

# Initialize model with the pretrained weights
map_location = lambda storage, loc: storage
if torch.cuda.is_available():
    map_location = None
torch_model.load_state_dict(model_zoo.load_url(model_url, map_location=map_location))

# set the train mode to false since we will only run the forward pass.
torch_model.train(False)

在PyTorch中导出模型通过跟踪工作.要导出模型, 请调用该 torch.onnx._export() 函数. 这将执行模型, 记录运算符用于计算输出的轨迹.由于 _export 运行模型, 我们需要提供一个输入张量 x. 这个张量中的值并不重要; 只要尺寸合适, 它可以是图像或随机张量.

要了解更多关于 PyTorch 导出界面的细节, 请查看 torch.onnx文档.

# Input to the model
x = Variable(torch.randn(batch_size, 1, 224, 224), requires_grad=True)

# Export the model
torch_out = torch.onnx._export(torch_model,             # model being run
                               x,                       # model input (or a tuple for multiple inputs)
                               "super_resolution.onnx", # where to save the model (can be a file or file-like object)
                               export_params=True)      # store the trained parameter weights inside the model file

torch_out 是执行模型后的输出.通常情况下, 您可以忽略此输出, 但在此我们将使用它来验证我们导出的模型在 Caffe2 中运行时计算相同的值.

现在我们来看看 ONNX 表示法, 并在 Caffe2 中使用它. 这部分通常可以在单独的进程或另一台机器上完成, 但我们将继续使用相同的过程, 以便我们可以验证 Caffe2 和 PyTorch 是否为网络计算相同的值:

import onnx
import onnx_caffe2.backend

# Load the ONNX ModelProto object. model is a standard Python protobuf object
model = onnx.load("super_resolution.onnx")

# prepare the caffe2 backend for executing the model this converts the ONNX model into a
# Caffe2 NetDef that can execute it. Other ONNX backends, like one for CNTK will be
# availiable soon.
prepared_backend = onnx_caffe2.backend.prepare(model)

# run the model in Caffe2

# Construct a map from input names to Tensor data.
# The graph of the model itself contains inputs for all weight parameters, after the input image.
# Since the weights are already embedded, we just need to pass the input image.
# Set the first input.
W = {model.graph.input[0].name: x.data.numpy()}

# Run the Caffe2 net:
c2_out = prepared_backend.run(W)[0]

# Verify the numerical correctness upto 3 decimal places
np.testing.assert_almost_equal(torch_out.data.cpu().numpy(), c2_out, decimal=3)

print("Exported model has been executed on Caffe2 backend, and the result looks good!")

我们应该看到 PyTorch 和 Caffe2 的输出在数字上匹配达到3位小数. 作为旁注, 如果它们不匹配, 那么 Caffe2 和 PyTorch 中的操作符的实现方式会有所不同, 请在此情况下与我们联系.

使用 ONNX 迁移到 SRResNet

使用与上述相同的过程, 我们还为 本文 提出了一个有趣的新的 super-resolution 模式 “SRResNet” (感谢 Twitter 上的作者为我们提供了代码和预训练参数, 以用于本教程). 模型定义和预先训练的模型可以在 这里 找到. 以下是 SRResNet 模型输入, 输出的样子.

在移动设备上运行模型

到目前为止, 我们已经从 PyTorch 中导出了一个模型, 并展示了如何加载它并在 Caffe2 中运行它. 现在该模型已经加载到 Caffe2 中, 我们可以将其转换为适合 在移动设备上运行 的格式.

我们将使用 Caffe2 的 mobile_exporter 来生成可以在移动设备上运行的两个模型 protobufs. 第一个用于使用正确的权重初始化网络, 第二个实际运行用于执行模型. 我们将继续在本教程的其余部分使用小型 super-resolution 模型.

# extract the workspace and the model proto from the internal representation
c2_workspace = prepared_backend.workspace
c2_model = prepared_backend.predict_net

# Now import the caffe2 mobile exporter
from caffe2.python.predictor import mobile_exporter

# call the Export to get the predict_net, init_net. These nets are needed for running things on mobile
init_net, predict_net = mobile_exporter.Export(c2_workspace, c2_model, c2_model.external_input)

# Let's also save the init_net and predict_net to a file that we will later use for running them on mobile
with open('init_net.pb', "wb") as fopen:
    fopen.write(init_net.SerializeToString())
with open('predict_net.pb', "wb") as fopen:
    fopen.write(predict_net.SerializeToString())

init_net 将模型参数和模型输入嵌入其中, predict_net 并将用于 init_net 在运行时指导执行. 在本文中, 我们将使用 init_net 与 predict_net 上面生成和在正常 Caffe2 后端和移动运行它们, 并验证在两个试验中产生的输出的高分辨率图像猫是相同的.

在本教程中, 我们将使用一个广泛使用的著名的猫咪图像, 如下所示:

# Some standard imports
from caffe2.proto import caffe2_pb2
from caffe2.python import core, net_drawer, net_printer, visualize, workspace, utils

import numpy as np
import os
import subprocess
from PIL import Image
from matplotlib import pyplot
from skimage import io, transform

首先, 我们加载图像, 使用标准的 skimage python 库对其进行预处理. 请注意, 这种预处理是 training/testing 神经网络处理数据的标准实践.

# load the image
img_in = io.imread("./_static/img/cat.jpg")

# resize the image to dimensions 224x224
img = transform.resize(img_in, [224, 224])

# save this resized image to be used as input to the model
io.imsave("./_static/img/cat_224x224.jpg", img)

现在, 作为下一步, 我们来调整大小的猫图像, 并在 Caffe2 后端运行 super-resolution 模型并保存输出图像. 图像处理步骤如下已从 PyTorch 实现 super-resolution 模型采用 这里

# load the resized image and convert it to Ybr format
img = Image.open("./_static/img/cat_224x224.jpg")
img_ycbcr = img.convert('YCbCr')
img_y, img_cb, img_cr = img_ycbcr.split()

# Let's run the mobile nets that we generated above so that caffe2 workspace is properly initialized
workspace.RunNetOnce(init_net)
workspace.RunNetOnce(predict_net)

# Caffe2 has a nice net_printer to be able to inspect what the net looks like and identify
# what our input and output blob names are.
print(net_printer.to_string(predict_net))

从上面的输出中, 我们可以看到输入名为 “9”, 输出名为 “27”(有点奇怪, 我们将数字作为 blob 名称, 但这是因为跟踪 JIT 会为模型生成编号条目)

# Now, let's also pass in the resized cat image for processing by the model.
workspace.FeedBlob("9", np.array(img_y)[np.newaxis, np.newaxis, :, :].astype(np.float32))

# run the predict_net to get the model output
workspace.RunNetOnce(predict_net)

# Now let's get the model output blob
img_out = workspace.FetchBlob("27")

现在, 我们将返回参考 PyTorch 执行 super-resolution 模型的后处理步骤, 在这里 构建回最终输出的图像并保存图像.

img_out_y = Image.fromarray(np.uint8((img_out[0, 0]).clip(0, 255)), mode='L')

# get the output image follow post-processing step from PyTorch implementation
final_img = Image.merge(
    "YCbCr", [
        img_out_y,
        img_cb.resize(img_out_y.size, Image.BICUBIC),
        img_cr.resize(img_out_y.size, Image.BICUBIC),
    ]).convert("RGB")

# Save the image, we will compare this with the output image from mobile device
final_img.save("./_static/img/cat_superres.jpg")

我们已经完成了在纯 Caffe2 后端运行我们的移动网络, 现在, 让我们在 Android 设备上执行模型并获取模型输出.

NOTE: 对于 Android 开发, adb 需要使用 shell, 否则以下部分教程将无法运行.

在我们的移动设备 runnig 模型的第一步中, 我们将把移动设备的本地速度基准二进制文件推送到 adb. 这个二进制文件可以在移动设备上执行模型, 也可以导出稍后可以检索的模型输出. 二进制文件 在这里 可用. 为了构建二进制文件, 请 build_android.sh 按照 此处 的说明执行脚本.

NOTE: 您需要 ANDROID_NDK 安装并设置您的 env 变量 ANDROID_NDK=path to ndk root

# let's first push a bunch of stuff to adb, specify the path for the binary
CAFFE2_MOBILE_BINARY = ('caffe2/binaries/speed_benchmark')

# we had saved our init_net and proto_net in steps above, we use them now.
# Push the binary and the model protos
os.system('adb push ' + CAFFE2_MOBILE_BINARY + ' /data/local/tmp/')
os.system('adb push init_net.pb /data/local/tmp')
os.system('adb push predict_net.pb /data/local/tmp')

# Let's serialize the input image blob to a blob proto and then send it to mobile for execution.
with open("input.blobproto", "wb") as fid:
    fid.write(workspace.SerializeBlob("9"))

# push the input image blob to adb
os.system('adb push input.blobproto /data/local/tmp/')

# Now we run the net on mobile, look at the speed_benchmark --help for what various options mean
os.system(
    'adb shell /data/local/tmp/speed_benchmark '                     # binary to execute
    '--init_net=/data/local/tmp/super_resolution_mobile_init.pb '    # mobile init_net
    '--net=/data/local/tmp/super_resolution_mobile_predict.pb '      # mobile predict_net
    '--input=9 '                                                     # name of our input image blob
    '--input_file=/data/local/tmp/input.blobproto '                  # serialized input image
    '--output_folder=/data/local/tmp '                               # destination folder for saving mobile output
    '--output=27,9 '                                                 # output blobs we are interested in
    '--iter=1 '                                                      # number of net iterations to execute
    '--caffe2_log_level=0 '
)

# get the model output from adb and save to a file
os.system('adb pull /data/local/tmp/27 ./output.blobproto')

# We can recover the output content and post-process the model using same steps as we followed earlier
blob_proto = caffe2_pb2.BlobProto()
blob_proto.ParseFromString(open('./output.blobproto').read())
img_out = utils.Caffe2TensorToNumpyArray(blob_proto.tensor)
img_out_y = Image.fromarray(np.uint8((img_out[0,0]).clip(0, 255)), mode='L')
final_img = Image.merge(
    "YCbCr", [
        img_out_y,
        img_cb.resize(img_out_y.size, Image.BICUBIC),
        img_cr.resize(img_out_y.size, Image.BICUBIC),
    ]).convert("RGB")
final_img.save("./_static/img/cat_superres_mobile.jpg")

现在, 您可以比较图像 cat_superres.jpg (来自纯 caffe2 后端执行的 cat_superres_mobile.jpg 模型输出) 和 (来自移动执行的模型输出) 并查看这两个图像看起来相同. 如果它们看起来不一样, 那么在移动设备上执行就会出现问题, 在这种情况下, 请联系 Caffe2 社区. 您应该期望看到输出图像如下所示:

使用上述步骤, 您可以轻松地在移动设备上部署模型. 另外, 有关 caffe2 移动后端的更多信息, 请查看 caffe2-android-demo.

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