深度学习框架

 

一、背景

• 熟知有：

caffe，tensorflow，pytorch/caffe2，keras，mxnet，paddldpaddle，theano，cntk，tiny-dnn，deeplearning4j，matconvnet等

• 一个合格的深度学习算法工程师：得熟悉其中的3个以上吧

• 学习

不应该停留在官方的demo上

• 而是要学会以下等全方位进行掌握：

1. 从自定义数据的读取
2. 自定义网络的搭建
3. 模型的训练
4. 模型的可视化
5. 模型的测试与部署

深度学习系统通常有两种编程方式：

1. 一种是声明式编程(declarative programming)：
   用户只需要声明要做什么，而具体执行则由系统完成。
   以Caffe，TensorFlow的计算图为代表。

• 优点：

1. 由于在真正开始计算的时候已经拿到了整个计算图，所以可以做一系列优化来提升性能。
2. 实现辅助函数也容易。
   例如对任何计算图都提供forward和backward函数
3. 另外也方便对计算图进行可视化
   将图保存到硬盘和从硬盘读取。

• 缺点：

1. debug很麻烦，
   监视一个复杂的计算图中的某个节点的中间结果并不简单
2. 逻辑控制也不方便。

2. 一种是命令式编程(imperative programming)：
   以numpy，torch/pytorch为代表
   每个语句按照原来的意思顺序执行。

• 优点：

1. 语义上容易理解，灵活，可以精确控制行为。
2. 通常可以无缝地和主语言交互，方便地利用主语言的各类算法，工具包，debug和性能调试器，

• 缺点：实现统一的辅助函数和提供整体优化都很困难。

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二、框架简介

2.1 caffe

1. 伯克利的贾扬清主导开发，以C++/CUDA 代码为主
2. 最早的深度学习框架之一，比 TensorFlow、Mxnet、Pytorch等都更早
3. 需要进行编译安装。
4. 支持命令行、Python和Matlab接口
5. 单机多卡、多机多卡等都可以很方便的使用

• caffe的使用通常是下面的流程：

流程相互之间是解耦合的，所以caffe的使用非常优雅简单。

• 优点 & 缺点

• 优点：

1. 以C++/CUDA/python代码为主，速度快，性能高。
2. 工厂设计模式，代码结构清晰，可读性和拓展性强。
3. 支持命令行、Python和Matlab接口，使用方便。
4. CPU和GPU之间切换方便，多GPU训练方便。
5. 工具丰富，社区活跃。

• 缺点：

1. 源代码修改门槛较高，需要实现前向反向传播，以及CUDA代码。
2. 不支持自动求导。
3. 不支持模型级并行，只支持数据级并行
4. 不适合于非图像任务。

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2.2 tensorflow

1. Google brain推出的开源机器学习库
2. 与Caffe一样，主要用作深度学习相关的任务
3. 与Caffe相比TensorFlow的安装简单很多

• TensorFlow = Tensor + Flow

1. Tensor就是张量，代表N维数组，这与Caffe中的blob是类似的；
2. Flow即流，代表基于数据流图的计算。

• 最大的特点是：计算图
  即：先定义好图，然后进行运算
• 所以所有的TensorFlow代码，都包含两部分：

• (1) 创建计算图

1. 表示计算的数据流。
2. 它做了什么呢？实际上就是定义好了一些操作，你可以将它看做是Caffe中的prototxt 的定义过程。
    

• (2)运行会话

1. 执行图中的运算，可以看作是Caffe中的训练过程。
2. 只是TensorFlow的会话比Caffe灵活很多，由于是Python接口，取中间结果分析，Debug等方便很多

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2.3 mxnet

• amazon的官方框架
• 它尝试将上面说的两种模式无缝的结合起来。
• 非常灵活，扩展性很强的框架

1. 在命令式编程上MXNet提供张量运算，进行模型的迭代训练和更新中的控制逻辑；
2. 在声明式编程中MXNet支持符号表达式，用来描述神经网络，并利用系统提供的自动求导来训练模型，

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2.4 pytorch

• Pytorch = Python + Torch

1. Torch是纽约大学的一个机器学习开源框架
2. 几年前在学术界非常流行，包括Lecun等大佬都在使用
3. 但是由于使用的是一种绝大部分人绝对没有听过的Lua语言，导致很多人都被吓退。
4. 后来随着Python的生态越来越完善，Facebook人工智能研究院推出了Pytorch并开源。

• Pytorch不是简单的封装 Torch 并提供Python 接口

• 而是对Tensor以上的所有代码进行了重构

• 同TensorFlow一样，增加了自动求导。

• 后来Caffe2全部并入Pytorch，如今已经成为了非常流行的框架。

• 很多最新的研究，如风格化、GAN等大多数采用Pytorch源码
   

• 特点：

• 动态图计算。

1. TensorFlow从静态图发展到了动态图机制Eager Execution
2. pytorch则一开始就是动态图机制。
3. 动态图机制的好处就是随时随地修改，随处debug，没有类似编译的过程。
    

• 简单。

1. 相比TensorFlow1.0中Tensor、Variable、Session等概念充斥，数据读取接口频繁更新，tf.nn、tf.layers、tf.contrib各自重复
2. Pytorch则是从Tensor到Variable再到nn.Module
   最新的Pytorch已经将Tensor和Variable合并
   这分别就是从数据张量到网络的抽象层次的递进。
   TensorFlow的设计是“make it complicated”，那么 Pytorch的设计就是“keep it simple”。

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2.5 keras

• Keras是一个非常流行、简单的深度学习框架

• 它的设计参考了torch，用Python语言编写，是一个高度模块化的神经网络库

• 能够在TensorFlow，CNTK或Theano之上运行

• Keras的特点是能够快速实现模型的搭建，是高效地进行科学研究的关键

  对小白用户非常友好而简单的深度学习框架
  严格来说并不是一个开源框架，而是一个高度模块化的神经网络库。
   

• 特点：

1. 高度模块化，搭建网络非常简洁。
2. API很简单，具有统一的风格。
3. 容易扩展，只需使用python添加新类和函数。

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2.6 paddlepaddle

• google有tensorflow，facebook有pytorch，amazon有mxnet
• 作为国内机器学习的先驱，百度也有PaddlePaddle
• 其中Paddle即Parallel Distributed Deep Learning(并行分布式深度学习)
• 整体使用起来与tensorflow非常类似

• 特点：

1. 性能也很不错，整体使用起来与tensorflow非常类似
2. 拥有中文帮助文档，在百度内部也被用于推荐等任务。
3. 另外，配套了一个可视化框架visualdl，与tensorboard也有异曲同工之妙。
4. 国产框架为数不多的之一

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2.7 其他

• 除了以上最常用的框架
• 还有theano，cntk，tiny-dnn，deeplearning 4j，matconvnet等

2.7.1 CNTK

• 概述

1. 微软开源的深度学习工具包
2. 它通过有向图将神经网络描述为一系列计算步骤。

在有向图中，叶节点表示输入值或网络参数，而其他节点表示其输入上的矩阵运算。

3. CNTK允许用户非常轻松地实现和组合流行的模型

包括前馈DNN，卷积网络（CNN）和循环网络（RNN / LSTM）。

4. 与目前大部分框架一样，实现了自动求导，利用随机梯度下降方法进行优化。

• 特点

1. NTK性能较高，按照其官方的说法，比其他的开源框架性能都更高。
2. 适合做语音，CNTK本就是微软语音团队开源的，自然是更合适做语音任务
3. 使用RNN等模型，以及在时空尺度分别进行卷积非常容易。

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2.7.2 Matconvnet

• 概述

1. 不同于各类深度学习框架广泛使用的语言Python
2. MatConvnet是用**matlab作为接口语言的开源深度学习库**，底层语言是cuda。

• 特点

1. 因为是在matlab下面，所以debug的过程非常的方便
2. 因为本身就有很多的研究者一直都使用matlab语言，所以其实该语言的群体非常大。

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2.7.3 Deeplearning4j

• 概述

1. 不同于深度学习广泛应用的语言Python，
2. DL4J是为java和jvm编写的开源深度学习库，支持各种深度学习模型。

• 特点

1. 最重要的特点是支持分布式，可以在Spark和Hadoop上运行
2. 支持分布式CPU和GPU运行。
3. DL4J是为商业环境，而非研究所设计的，因此更加贴近某些生产环境。

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2.7.4 Chainer

• 概述

1. chainer也是一个基于python的深度学习框架
2. 能够轻松直观地编写复杂的神经网络架构，在日本企业中应用广泛。

• 特点

1. 采用“Define-by-Run”方案，即通过实际的前向计算动态定义网络。
2. 更确切地说，chainer存储计算历史而不是编程逻辑
3. pytorch的动态图机制思想主要就来源于chainer。

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2.7.5 Lasagne/Theano

• 概述

1. 其实就是封装了theano，后者是一个很老牌的框架
2. 在2008年的时候就由Yoshua Bengio领导的蒙特利尔LISA组开源了。

• 特点

1. 使用成本高，需要从底层开始写代码构建模型
2. Lasagen对其进行了封装，使得theano使用起来更简单。

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2.7.6 Darknet

• 概述

1. Darknet本身是Joseph Redmon为了Yolo系列开发的框架。
2. Joseph Redmon提出了Yolo v1，Yolo v2，Yolo v3。

• 特点

1. Darknet几乎没有依赖库
2. 从C和CUDA开始撰写的深度学习开源框架
3. 支持CPU和GPU
4. Darknet跟caffe颇有几分相似之处，却更加轻量级，非常值得学习使用。

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三、学习Tips

3.1 选择

1. 不管怎么说，tensorflow/pytorch你都必须会，这是目前开发者最喜欢，开源项目最丰富的两个框架。

2. 如果你要进行移动端算法的开发，那么Caffe是不能不会的。

3. 如果你非常熟悉Matlab，matconvnet你不应该错过。

4. 如果你追求高效轻量，那么darknet和mxnet你不能不熟悉。

5. 如果你很懒，想写最少的代码完成任务，那么用keras吧。

6. 如果你是java程序员，那么掌握deeplearning4j没错的。

7. 其他的框架，也自有它的特点，大家可以自己多去用用。

 

3.2 如何学习开源框架

• 要掌握好一个开源框架，通常需要做到以下几点：

  1. 熟练掌握 不同任务数据的准备和使用。
  2. 熟练掌握 模型的定义。
  3. 熟练掌握 训练过程和结果的可视化。
  4. 熟练掌握 训练方法和测试方法。

• 学习不应该停留在跑通官方的demo上，而是要解决实际的问题。

  • 一个框架，官方都会开放有若干的案例
  • 最常见的案例就是 以MNISI数据接口+预训练模型的形式，供大家快速获得结果

• 我们要学会从自定义数据读取接口，自定义网络的搭建，模型的训练，模型的可视化，模型的测试与部署等全方位进行掌握。
   

3.3 训练任务

• 所有框架的学习过程中，我们都要完成下面这个流程，只有这样，才能叫做真正的完成了一个训练任务。
  
• 所有的框架都可以使用同样的一个模型
• 网络结构：优化的时候根据不同的框架，采用了略有不同的方案。

 

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四、百度百科

4.1 Pytorch

• PyTorch是一个开源的Python机器学习库，基于Torch，用于自然语言处理等应用程序。
• 由Facebook人工智能研究院（FAIR）基于Torch推出了PyTorch。

• 两个高级功能：

1. 具有强大的GPU加速的张量计算（如NumPy）。
2. 包含自动求导系统的深度神经网络。

 

1. PyTorch的前身是Torch，其底层和Torch框架一样
2. 但是使用Python重新写了很多内容，不仅更加灵活，支持动态图，而且提供了Python接口。
3. 由Torch7团队开发，是一个以Python优先的深度学习框架，不仅能够实现强大的GPU加速，同时还支持动态神经网络。
4. PyTorch既可以看作加入了GPU支持的numpy，同时也可以看成一个拥有自动求导功能的强大的深度神经网络。
    

• 优点：

1. PyTorch是相当简洁且高效快速的框架
2. 设计追求最少的封装
3. 设计符合人类思维，它让用户尽可能地专注于实现自己的想法
4. 与google的Tensorflow类似，FAIR的支持足以确保PyTorch获得持续的开发更新
5. PyTorch作者亲自维护的论坛 : 供用户交流和求教问题
6. 入门简单

• 环境搭建

• 根据PyTorch官网，对系统选择和安装方式等灵活选择即可。
• 这里以anaconda为例。
• 需要说明的是：在1.2版本以后，Pytorch只支持**cuda 9.2**以上了，所以需要对cuda进行升级

#默认 使用 cuda10.1
pip3 install torch===1.3.0 torchvision===0.4.1 -f https://download.pytorch.org/whl/torch_stable.
 
#cuda 9.2
pip3 install torch==1.3.0+cu92 torchvision==0.4.1+cu92 -f https://download.pytorch.org/whl/torch_stable.html
 
#cpu版本
pip3 install torch==1.3.0+cpu torchvision==0.4.1+cpu -f https://download.pytorch.org/whl/torch_stable.html

验证输入python 进入

import torchtorch.__version__# 得到结果'1.3.0'

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4.2 TensorFlow

• TensorFlow是一个基于数据流编程（dataflow programming）的符号数学系统
• 被广泛应用于各类机器学习（machine learning）算法的编程实现
• 其前身是谷歌的神经网络算法库DistBelief
   
• Tensorflow拥有多层级结构
• 可部署于各类服务器、PC终端和网页并支持GPU和TPU高性能数值计算
• 被广泛应用于谷歌内部的产品开发和各领域的科学研究
   
• TensorFlow由谷歌人工智能团队谷歌大脑（Google Brain）开发和维护
• 拥有包括TensorFlow Hub、TensorFlow Lite、TensorFlow Research Cloud在内的多个项目以及各类应用程序接口（Application Programming Interface, API）
• 自2015年11月9日起，TensorFlow依据阿帕奇授权协议（Apache 2.0 open source license）开放源代码

• 谷歌大脑自2011年——> 大规模深度学习应用研究 其早期工作即是TensorFlow的前身DistBelief
  DistBelief的功能是构建各尺度下的神经网络分布式学习和交互系统，也被称为“第一代机器学习系统”

• 2015年11月，在DistBelief的基础上，谷歌大脑完成了对“第二代机器学习系统”TensorFlow的开发并对代码开源。
  相比于前作，TensorFlow在性能上有显著改进、构架灵活性和可移植性也得到增强

 
 

• 安装
  TensorFlow支持多种客户端语言下的安装和运行。
  截至版本1.12.0，绑定完成并支持版本兼容运行的语言为C和Python，
  其它（试验性）绑定完成的语言为JavaScript、C++、Java、Go和Swift，依然处于开发阶段的包括C#、Haskell、Julia、Ruby、Rust和Scala

• Python版本

  • TensorFlow提供Python语言下的四个不同版本：CPU版本（tensorflow）、包含GPU加速的版本（tensorflow-gpu），以及它们的每日编译版本（tf-nightly、tf-nightly-gpu）。
  • TensorFlow的Python版本支持Ubuntu 16.04、Windows 7、macOS 10.12.6 Sierra、Raspbian 9.0及对应的更高版本，其中macOS版不包含GPU加速
  • 安装Python版TensorFlow可以使用模块管理工具pip/pip3 或anaconda并在终端直接运行。

  pip install tensorflow
  conda install -c conda-forge tensorflow
  

  • 此外Python版TensorFlow也可以使用Docker安装

  docker pull tensorflow/tensorflow:latest
  # 可用的tag包括latest、nightly、version等
  # docker镜像文件：https://hub.docker.com/r/tensorflow/tensorflow/tags/
  docker run -it -p 8888:8888 tensorflow/tensorflow:latest
  # dock下运行jupyter notebook
  docker run -it tensorflow/tensorflow bash
  # 启用编译了tensorflow的bash环境
  

 

• 配置GPU

1. TensorFlow支持在Linux和Window系统下使用统一计算架构（Compute Unified Device Architecture, CUDA）高于3.5的NVIDIA GPU
2. 配置GPU时要求系统有**NVIDIA GPU驱动384.x及以上版本**、CUDA Toolkit和CUPTI（CUDA Profiling Tools Interface）9.0版本、cuDNN SDK7.2以上版本。
3. 可选配置包括NCCL 2.2用于多GPU支持、TensorRT 4.0用于TensorFlow模型优化

• Linux系统下使用docker安装的Python版TensorFlow也可配置GPU加速且无需CUDA Toolkit

  # 确认GPU状态
  lspci | grep -i nvidia
  # 导入GPU加速的TensorFlow镜像文件
  docker pull tensorflow/tensorflow:latest-gpu
  # 验证安装
  docker run --runtime=nvidia --rm nvidia/cuda nvidia-smi
  # 启用bash环境
  docker run --runtime=nvidia -it tensorflow/tensorflow:latest-gpu bash
  

 

• 组件与工作原理

  • TensorFlow的代码结构

• 低阶API

1. 张量（tf.Tensor）

• 张量是TensorFlow的核心数据单位
• 在本质上是一个任意维的数组。
• 可用的张量类型包括常数、变量、张量占位符和稀疏张量

• 一个对各类张量进行定义的例子：

在这里插入代码片import numpy as np
import tensorflow as tf
# tf.constant(value, dtype=None, name='Const', verify_shape=False)
tf.constant([0, 1, 2], dtype=tf.float32) # 定义常数
# tf.placeholder(dtype, shape=None, name=None)
tf.placeholder(shape=(None, 2), dtype=tf.float32) # 定义张量占位符
#tf.Variable(, name=)
tf.Variable(np.random.rand(1, 3), name='random_var', dtype=tf.float32) # 定义变量
# tf.SparseTensor(indices, values, dense_shape)
tf.SparseTensor(indices=[[0, 0], [1, 2]], values=[1, 2], dense_shape=[3, 4]) # 定义稀疏张量
# tf.sparse_placeholder(dtype, shape=None, name=None)
tf.sparse_placeholder(dtype=tf.float32)

• 张量的秩是它的维数，而它的形状是一个整数元组，指定了数组中每个维度的长度
• 张量按NumPy数组的方式进行切片和重构

• 一个进行张量操作的例子：

# 定义二阶常数张量
a = tf.constant([[0, 1, 2, 3], [4, 5, 6, 7]], dtype=tf.float32)
a_rank = tf.rank(a) # 获取张量的秩
a_shape = tf.shape(a) # 获取张量的形状
b = tf.reshape(a, [4, 2]) # 对张量进行重构
# 运行会话以显示结果
with tf.Session() as sess:
   print('constant tensor: {}'.format(sess.run(a)))
   print('the rank of tensor: {}'.format(sess.run(a_rank)))
   print('the shape of tensor: {}'.format(sess.run(a_shape)))
   print('reshaped tensor: {}'.format(sess.run(b)))
   # 对张量进行切片
   print("tensor's first column: {}".format(sess.run(a[:, 0])))