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PaddleClas

PaddlePaddle / PaddleClas
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......@@ -2,43 +2,96 @@
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## 1. 概述
## 目录
- [1. 模型介绍](#1)
- [1.1 模型简介](#1.1)
- [1.2 模型细节](#1.2)
- [1.2.1 Rep 策略](#1.2.1)
- [1.2.2 PW 卷积](#1.2.2)
- [1.2.3 Shortcut](#1.2.3)
- [1.2.4 激活函数](#1.2.4)
- [1.2.5 SE 模块](#1.2.4)
- [1.3 实验结果](#1.3)
- [2. 模型快速体验](#2)
- [2.1 安装 paddleclas](#2.1)
- [2.2 预测](#2.2)
- [3. 模型训练、评估和预测](#3)
- [3.1 环境配置](#3.1)
- [3.2 数据准备](#3.2)
- [3.3 模型训练](#3.3)
- [3.4 模型评估](#3.4)
- [3.5 模型预测](#3.5)
- [4. 模型推理部署](#4)
- [4.1 推理模型准备](#4.1)
- [4.1.1 基于训练得到的权重导出 inference 模型](#4.1.1)
- [4.1.2 直接下载 inference 模型](#4.1.2)
- [4.2 基于 Python 预测引擎推理](#4.2)
- [4.2.1 预测单张图像](#4.2.1)
- [4.2.2 基于文件夹的批量预测](#4.2.2)
- [4.3 基于 C++ 预测引擎推理](#4.3)
- [4.4 服务化部署](#4.4)
- [4.5 端侧部署](#4.5)
- [4.6 Paddle2ONNX 模型转换与预测](#4.6)
- [5. 引用](#5)
<a name="1"></a>
## 1. 模型介绍
<a name="1.1"></a>
### 1.1 模型简介
骨干网络对计算机视觉下游任务的影响不言而喻，不仅对下游模型的性能影响很大，而且模型效率也极大地受此影响，但现有的大多骨干网络在真实应用中的效率并不理想，特别是缺乏针对 Intel CPU 平台所优化的骨干网络，我们测试了现有的主流轻量级模型，发现在 Intel CPU 平台上的效率并不理想，然而目前 Intel CPU 平台在工业界仍有大量使用场景，因此我们提出了 PP-LCNet 系列模型，PP-LCNetV2 是在 [PP-LCNetV1](./PP-LCNet.md) 基础上所改进的。
## 2. 设计细节
<a name="1.2"></a>
## 1.2 模型细节
![](../../images/PP-LCNetV2/net.png)
PP-LCNetV2 模型的网络整体结构如上图所示。PP-LCNetV2 模型是在 PP-LCNetV1 的基础上优化而来，主要使用重参数化策略组合了不同大小卷积核的深度卷积，并优化了点卷积、Shortcut等。
### 2.1 Rep 策略
<a name="1.2.1"></a>
### 1.2.1 Rep 策略
卷积核的大小决定了卷积层感受野的大小，通过组合使用不同大小的卷积核，能够获取不同尺度的特征，因此 PPLCNetV2 在 Stage3、Stage4 中，在同一层组合使用 kernel size 分别为 5、3、1 的 DW 卷积，同时为了避免对模型效率的影响，使用重参数化（Re parameterization，Rep）策略对同层的 DW 卷积进行融合，如下图所示。
![](../../images/PP-LCNetV2/rep.png)
### 2.2 PW 卷积
<a name="1.2.2"></a>
### 1.2.2 PW 卷积
深度可分离卷积通常由一层 DW 卷积和一层 PW 卷积组成，用以替换标准卷积，为了使深度可分离卷积具有更强的拟合能力，我们尝试使用两层 PW 卷积，同时为了控制模型效率不受影响，两层 PW 卷积设置为：第一个在通道维度对特征图压缩，第二个再通过放大还原特征图通道，如下图所示。通过实验发现，该策略能够显著提高模型性能，同时为了平衡对模型效率带来的影响，PPLCNetV2 仅在 Stage4、Stage5 中使用了该策略。
![](../../images/PP-LCNetV2/split_pw.png)
### 2.3 Shortcut
<a name="1.2.3"></a>
### 1.2.3 Shortcut
残差结构（residual）自提出以来，被诸多模型广泛使用，但在轻量级卷积神经网络中，由于残差结构所带来的元素级（element-wise）加法操作，会对模型的速度造成影响，我们在 PP-LCNetV2 中，以 Stage 为单位实验了 残差结构对模型的影响，发现残差结构的使用并非一定会带来性能的提高，因此 PPLCNetV2 仅在最后一个 Stage 中的使用了残差结构：在 Block 中增加 Shortcut，如下图所示。
![](../../images/PP-LCNetV2/shortcut.png)
### 2.4 激活函数
<a name="1.2.4"></a>
### 1.2.4 激活函数
在目前的轻量级卷积神经网络中，ReLU、Hard-Swish 激活函数最为常用，虽然在模型性能方面，Hard-Swish 通常更为优秀，然而我们发现部分推理平台对于 Hard-Swish 激活函数的效率优化并不理想，因此为了兼顾通用性，PP-LCNetV2 默认使用了 ReLU 激活函数，并且我们测试发现，ReLU 激活函数对于较大模型的性能影响较小。
### 2.5 SE 模块
<a name="1.2.5"></a>
### 1.2.5 SE 模块
虽然 SE 模块能够显著提高模型性能，但其对模型速度的影响同样不可忽视，在 PP-LCNetV1 中，我们发现在模型中后部使用 SE 模块能够获得最大化的收益。在 PP-LCNetV2 的优化过程中，我们以 Stage 为单位对 SE 模块的位置做了进一步实验，并发现在 Stage3 中使用能够取得更好的平衡。
## 3. 实验结果
<a name="1.3"></a>
## 1.3 实验结果
在不使用额外数据的前提下，PPLCNetV2_base 模型在图像分类 ImageNet 数据集上能够取得超过 77% 的 Top1 Acc，同时在 Intel CPU 平台的推理时间在 4.4 ms 以下，如下表所示，其中推理时间基于 Intel(R) Xeon(R) Gold 6271C CPU @ 2.60GHz 硬件平台，OpenVINO 推理平台。
......@@ -49,5 +102,312 @@ PP-LCNetV2 模型的网络整体结构如上图所示。PP-LCNetV2 模型是在
| <b>PPLCNetV2_base<b> | <b>6.6<b> | <b>604<b> | <b>77.04<b> | <b>93.27<b> | <b>4.32<b> |
<a name="2"></a>
## 2. 模型快速体验
<a name="2.1"></a>
### 2.1 安装 paddleclas
使用如下命令快速安装 paddleclas
```
pip3 install paddleclas
```
<a name="2.2"></a>
### 2.2 预测
* 在命令行中使用 PPLCNetV2_base 的权重快速预测
```bash
paddleclas --model_name=PPLCNetV2_base --infer_imgs="docs/images/inference_deployment/whl_demo.jpg"
```
结果如下：
```
>>> result
filename: docs/images/inference_deployment/whl_demo.jpg, top-5, class_ids: [8, 7, 86, 82, 83], scores: [0.8859, 0.07156, 0.00588, 0.00047, 0.00034], label_names: ['hen', 'cock', 'partridge', 'ruffed grouse, partridge, Bonasa umbellus', 'prairie chicken, prairie grouse, prairie fowl']
Predict complete!
```
* 在 Python 代码中预测
```python
from paddleclas import PaddleClas
clas = PaddleClas(model_name='PPLCNetV2_base')
infer_imgs='docs/images/inference_deployment/whl_demo.jpg'
result=clas.predict(infer_imgs)
print(next(result))
```
**备注**：`PaddleClas.predict()` 为可迭代对象（`generator`），因此需要使用 `next()` 函数或 `for` 循环对其迭
代调用。每次调用将以 `batch_size` 为单位进行一次预测，并返回预测结果。返回结果示例如下：
```
>>> result
filename: docs/images/inference_deployment/whl_demo.jpg, top-5, class_ids: [8, 7, 86, 82, 83], scores: [0.8859, 0.07156, 0.00588, 0.00047, 0.00034], label_names: ['hen', 'cock', 'partridge', 'ruffed grouse, partridge, Bonasa umbellus', 'prairie chicken, prairie grouse, prairie fowl']
```
<a name="3"></a>
## 3. 模型训练、评估和预测
<a name="3.1"></a>
### 3.1 环境配置
* 安装：请先参考 [Paddle 安装教程](../installation/install_paddle.md) 以及 [PaddleClas 安装教程](../installation/install_paddleclas.md) 配置 PaddleClas 运行环境。
<a name="3.2"></a>
### 3.2 数据准备
请在[ImageNet 官网](https://www.image-net.org/)准备 ImageNet-1k 相关的数据。
进入 PaddleClas 目录。
```
cd path_to_PaddleClas
```
进入 `dataset/` 目录，将下载好的数据命名为 `ILSVRC2012` ，存放于此。 `ILSVRC2012` 目录中具有以下数据：
```
├── train
│   ├── n01440764
│   │   ├── n01440764_10026.JPEG
│   │   ├── n01440764_10027.JPEG
├── train_list.txt
...
├── val
│   ├── ILSVRC2012_val_00000001.JPEG
│   ├── ILSVRC2012_val_00000002.JPEG
├── val_list.txt
```
其中 `train/` 和 `val/` 分别为训练集和验证集。`train_list.txt` 和 `val_list.txt` 分别为训练集和验证集的标签文件。
**备注：**
* 关于 `train_list.txt`、`val_list.txt`的格式说明，可以参考[PaddleClas分类数据集格式说明](../data_preparation/classification_dataset.md#1-数据集格式说明) 。
<a name="3.3"></a>
### 3.3 模型训练
在 `ppcls/configs/ImageNet/PPLCNetV2/PPLCNetV2_base.yaml` 中提供了 PPLCNetV2_base 训练配置，可以通过如下脚本启动训练：
```shell
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1,2,3
python3 -m paddle.distributed.launch \
--gpus="0,1,2,3" \
tools/train.py \
-c ppcls/configs/ImageNet/PPLCNetV2/PPLCNetV2_base.yaml
```
**备注：**
* 当前精度最佳的模型会保存在 `output/PPLCNetV2_base/best_model.pdparams`
<a name="3.4"></a>
### 3.4 模型评估
训练好模型之后，可以通过以下命令实现对模型指标的评估。
```bash
python3 tools/eval.py \
-c ppcls/configs/ImageNet/PPLCNetV2/PPLCNetV2_base.yaml \
-o Global.pretrained_model=output/PPLCNetV2_base/best_model
```
其中 `-o Global.pretrained_model="output/PPLCNetV2_base/best_model"` 指定了当前最佳权重所在的路径，如果指定其他权重，只需替换对应的路径即可。
<a name="3.5"></a>
### 3.5 模型预测
模型训练完成之后，可以加载训练得到的预训练模型，进行模型预测。在模型库的 `tools/infer.py` 中提供了完整的示例，只需执行下述命令即可完成模型预测：
```python
python3 tools/infer.py \
-c ppcls/configs/ImageNet/PPLCNetV2/PPLCNetV2_base.yaml \
-o Global.pretrained_model=output/PPLCNetV2_base/best_model
```
输出结果如下：
```
[{'class_ids': [8, 7, 86, 82, 83], 'scores': [0.8859, 0.07156, 0.00588, 0.00047, 0.00034], 'file_name': 'docs/images/inference_deployment/whl_demo.jpg', 'label_names': ['hen', 'cock', 'partridge', 'ruffed grouse, partridge, Bonasa umbellus', 'prairie chicken, prairie grouse, prairie fowl']}]
```
**备注：**
* 这里`-o Global.pretrained_model="output/PPLCNetV2_base/best_model"` 指定了当前最佳权重所在的路径，如果指定其他权重，只需替换对应的路径即可。
* 默认是对 `docs/images/inference_deployment/whl_demo.jpg` 进行预测，此处也可以通过增加字段 `-o Infer.infer_imgs=xxx` 对其他图片预测。
* 默认输出的是 Top-5 的值，如果希望输出 Top-k 的值，可以指定`-o Infer.PostProcess.topk=k`，其中，`k` 为您指定的值。
<a name="4"></a>
## 4. 模型推理部署
<a name="4.1"></a>
### 4.1 推理模型准备
Paddle Inference 是飞桨的原生推理库， 作用于服务器端和云端，提供高性能的推理能力。相比于直接基于预训练模型进行预测，Paddle Inference可使用MKLDNN、CUDNN、TensorRT 进行预测加速，从而实现更优的推理性能。更多关于Paddle Inference推理引擎的介绍，可以参考[Paddle Inference官网教程](https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/guides/infer/inference/inference_cn.html)。
当使用 Paddle Inference 推理时，加载的模型类型为 inference 模型。本案例提供了两种获得 inference 模型的方法，如果希望得到和文档相同的结果，请选择[直接下载 inference 模型](#6.1.2)的方式。
<a name="4.1.1"></a>
### 4.1.1 基于训练得到的权重导出 inference 模型
此处，我们提供了将权重和模型转换的脚本，执行该脚本可以得到对应的 inference 模型：
```bash
python3 tools/export_model.py \
-c ppcls/configs/ImageNet/PPLCNetV2/PPLCNetV2_base.yaml \
-o Global.pretrained_model=output/PPLCNetV2_base/best_model \
-o Global.save_inference_dir=deploy/models/PPLCNetV2_base_infer
```
执行完该脚本后会在 `deploy/models/` 下生成 `PPLCNetV2_base_infer` 文件夹，`models` 文件夹下应有如下文件结构：
```
├── PPLCNetV2_base_infer
│ ├── inference.pdiparams
│ ├── inference.pdiparams.info
│ └── inference.pdmodel
```
<a name="4.1.2"></a>
### 4.1.2 直接下载 inference 模型
[4.1.1 小节](#4.1.1)提供了导出 inference 模型的方法，此处也提供了该场景可以下载的 inference 模型，可以直接下载体验。
```
cd deploy/models
# 下载 inference 模型并解压
wget https://paddle-imagenet-models-name.bj.bcebos.com/dygraph/inference/PPLCNetV2_base_infer.tar && tar -xf PPLCNetV2_base_infer.tar
```
解压完毕后，`models` 文件夹下应有如下文件结构：
```
├── PPLCNetV2_base_infer
│ ├── inference.pdiparams
│ ├── inference.pdiparams.info
│ └── inference.pdmodel
```
<a name="4.2"></a>
### 4.2 基于 Python 预测引擎推理
<a name="4.2.1"></a>
#### 4.2.1 预测单张图像
返回 `deploy` 目录：
```
cd ../
```
运行下面的命令，对图像 `./images/ImageNet/ILSVRC2012_val_00000010.jpeg` 进行分类。
```shell
# 使用下面的命令使用 GPU 进行预测
python3 python/predict_cls.py -c configs/inference_cls.yaml -o Global.inference_model_dir=models/PPLCNetV2_base_infer
# 使用下面的命令使用 CPU 进行预测
python3 python/predict_cls.py -c configs/inference_cls.yaml -o Global.inference_model_dir=models/PPLCNetV2_base_infer -o Global.use_gpu=False
```
输出结果如下。
```
ILSVRC2012_val_00000010.jpeg: class id(s): [332, 153, 229, 204, 265], score(s): [0.28, 0.25, 0.03, 0.02, 0.02], label_name(s): ['Angora, Angora rabbit', 'Maltese dog, Maltese terrier, Maltese', 'Old English sheepdog, bobtail', 'Lhasa, Lhasa apso', 'toy poodle']
```
<a name="4.2.2"></a>
#### 4.2.2 基于文件夹的批量预测
如果希望预测文件夹内的图像，可以直接修改配置文件中的 `Global.infer_imgs` 字段，也可以通过下面的 `-o` 参数修改对应的配置。
```shell
# 使用下面的命令使用 GPU 进行预测，如果希望使用 CPU 预测，可以在命令后面添加 -o Global.use_gpu=False
python3 python/predict_cls.py -c configs/inference_cls.yaml -o Global.inference_model_dir=models/PPLCNetV2_base_infer -o Global.infer_imgs=images/ImageNet/
```
终端中会输出该文件夹内所有图像的分类结果，如下所示。
```
ILSVRC2012_val_00000010.jpeg: class id(s): [332, 153, 229, 204, 265], score(s): [0.28, 0.25, 0.03, 0.02, 0.02], label_name(s): ['Angora, Angora rabbit', 'Maltese dog, Maltese terrier, Maltese', 'Old English sheepdog, bobtail', 'Lhasa, Lhasa apso', 'toy poodle']
ILSVRC2012_val_00010010.jpeg: class id(s): [626, 531, 761, 487, 673], score(s): [0.64, 0.06, 0.03, 0.02, 0.01], label_name(s): ['lighter, light, igniter, ignitor', 'digital watch', 'remote control, remote', 'cellular telephone, cellular phone, cellphone, cell, mobile phone', 'mouse, computer mouse']
ILSVRC2012_val_00020010.jpeg: class id(s): [178, 209, 246, 181, 211], score(s): [0.97, 0.00, 0.00, 0.00, 0.00], label_name(s): ['Weimaraner', 'Chesapeake Bay retriever', 'Great Dane', 'Bedlington terrier', 'vizsla, Hungarian pointer']
ILSVRC2012_val_00030010.jpeg: class id(s): [80, 143, 81, 137, 98], score(s): [0.91, 0.01, 0.00, 0.00, 0.00], label_name(s): ['black grouse', 'oystercatcher, oyster catcher', 'ptarmigan', 'American coot, marsh hen, mud hen, water hen, Fulica americana', 'red-breasted merganser, Mergus serrator'
```
<a name="4.3"></a>
### 4.3 基于 C++ 预测引擎推理
PaddleClas 提供了基于 C++ 预测引擎推理的示例，您可以参考[服务器端 C++ 预测](../inference_deployment/cpp_deploy.md)来完成相应的推理部署。如果您使用的是 Windows 平台，可以参考[基于 Visual Studio 2019 Community CMake 编译指南](../inference_deployment/cpp_deploy_on_windows.md)完成相应的预测库编译和模型预测工作。
<a name="4.4"></a>
### 4.4 服务化部署
Paddle Serving 提供高性能、灵活易用的工业级在线推理服务。Paddle Serving 支持 RESTful、gRPC、bRPC 等多种协议，提供多种异构硬件和多种操作系统环境下推理解决方案。更多关于Paddle Serving 的介绍，可以参考[Paddle Serving 代码仓库](https://github.com/PaddlePaddle/Serving)。
PaddleClas 提供了基于 Paddle Serving 来完成模型服务化部署的示例，您可以参考[模型服务化部署](../inference_deployment/paddle_serving_deploy.md)来完成相应的部署工作。
<a name="4.5"></a>
### 4.5 端侧部署
Paddle Lite 是一个高性能、轻量级、灵活性强且易于扩展的深度学习推理框架，定位于支持包括移动端、嵌入式以及服务器端在内的多硬件平台。更多关于 Paddle Lite 的介绍，可以参考[Paddle Lite 代码仓库](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle-Lite)。
PaddleClas 提供了基于 Paddle Lite 来完成模型端侧部署的示例，您可以参考[端侧部署](../inference_deployment/paddle_lite_deploy.md)来完成相应的部署工作。
<a name="4.6"></a>
### 4.6 Paddle2ONNX 模型转换与预测
Paddle2ONNX 支持将 PaddlePaddle 模型格式转化到 ONNX 模型格式。通过 ONNX 可以完成将 Paddle 模型到多种推理引擎的部署，包括TensorRT/OpenVINO/MNN/TNN/NCNN，以及其它对 ONNX 开源格式进行支持的推理引擎或硬件。更多关于 Paddle2ONNX 的介绍，可以参考[Paddle2ONNX 代码仓库](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle2ONNX)。
PaddleClas 提供了基于 Paddle2ONNX 来完成 inference 模型转换 ONNX 模型并作推理预测的示例，您可以参考[Paddle2ONNX 模型转换与预测](@shuilong)来完成相应的部署工作。
<a name="5"></a>
## 5. 引用
关于 PP-LCNetV2 模型的更多信息，敬请关注。
如果你的论文用到了 PP-LCNet 的方法，请添加如下 cite：
```
@misc{cui2021pplcnet,
title={PP-LCNet: A Lightweight CPU Convolutional Neural Network},
author={Cheng Cui and Tingquan Gao and Shengyu Wei and Yuning Du and Ruoyu Guo and Shuilong Dong and Bin Lu and Ying Zhou and Xueying Lv and Qiwen Liu and Xiaoguang Hu and Dianhai Yu and Yanjun Ma},
year={2021},
eprint={2109.15099},
archivePrefix={arXiv},
primaryClass={cs.CV}
}
```
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