PaddlePaddle升级解读 | PaddleHub轻松完成迁移学习

引言

迁移学习(Transfer Learning)是属于深度学习的一个子研究领域，该研究领域的目标在于利用数据、任务、或模型之间的相似性，将在旧领域学习过的知识，迁移应用于新领域中。迁移学习吸引了很多研究者投身其中，因为它能够很好的解决深度学习中的以下几个问题：

一些研究领域只有少量标注数据，且数据标注成本较高，不足以训练一个足够鲁棒的神经网络

大规模神经网络的训练依赖于大量的计算资源，这对于一般用户而言难以实现

应对于普适化需求的模型，在特定应用上表现不尽如人意

为了让开发者更便捷地应用迁移学习，百度PaddlePaddle开源了预训练模型管理工具PaddleHub。开发者用使用仅仅十余行的代码，就能完成迁移学习。本文将为读者全面介绍PaddleHub并介绍其应用方法。

项目地址：
https://github.com/PaddlePaddle/PaddleHub

PaddleHub介绍

PaddleHub是基于PaddlePaddle开发的预训练模型管理工具，可以借助预训练模型更便捷地开展迁移学习工作，旨在让PaddlePaddle生态下的开发者更便捷体验到大规模预训练模型的价值。

PaddleHub目前的预训练模型覆盖了图像分类、目标检测、词法分析、Transformer、情感分析五大类别。 未来会持续开放更多类型的深度学习模型，如语言模型、视频分类、图像生成等预训练模型。PaddleHub的功能全景如图1所示。

图1 PaddleHub功能全景

PaddleHub主要包括两个功能：命令行工具和Fine-tune API。

命令行工具

PaddleHub借鉴了Anaconda和PIP等软件包管理的理念，开发了命令行工具，可以方便快捷的完成模型的搜索、下载、安装、预测等功能，对应的关键的命令分别是search，download，install，run等。我们以run命令为例，介绍如何通过命令行工具进行预测。

Run命令用于执行Module的预测，这里分别举一个NLP和CV的例子。

对于NLP任务：输入数据通过—input_text指定。以百度LAC模型（中文词法分析）为例，可以通过以下命令实现单行文本分析。

# 单文本预测

$ hub run lac –input_text “今天是个好日子”

对于CV任务：

输入数据通过—input_path指定。以SSD模型（单阶段目标检测）为例子，可以通过以下命令实现单张图片的预测

# 使用SSD检测模型对图片进行目标检测，第一条命令是下载图片，第二条命令是执行预测，用户也可以自

# 己准备图片

$ wget –no-check-certificate https://paddlehub.bj.bcebos.com/resources/test_img_bird.jpg

$ hub run ssd_mobilenet_v1_pascal –input_path test_img_bird.jpg

更多的命令用法，请读者参考文首的Github项目链接。

Fine-tune API:

PaddleHub提供了基于PaddlePaddle实现的Fine-tune API, 重点针对大规模预训练模型的Fine-tune任务做了高阶的抽象，让预训练模型能更好服务于用户特定场景的应用。通过大规模预训练模型结合Fine-tune，可以在更短的时间完成模型的收敛，同时具备更好的泛化能力。PaddleHub API的全景如图2所示。

图2 PaddleHub Fine-tune API全景

Fine-tune ：对一个Task进行Fine-tune，并且定期进行验证集评估。在Fine-tune的过程中，接口会定期的保存checkpoint（模型和运行数据），当运行被中断时，通过RunConfig指定上一次运行的checkpoint目录，可以直接从上一次运行的最后一次评估中恢复状态继续运行。

迁移任务Task：在PaddleHub中，Task代表了一个Fine-tune的任务。任务中包含了执行该任务相关的program以及和任务相关的一些度量指标（如分类准确率accuracy、precision、 recall、 F1-score等）、模型损失等。

运行配置 RunConfig：在PaddleHub中，RunConfig代表了在对Task进行Fine-tune时的运行配置。包括运行的epoch次数、batch的大小、是否使用GPU训练等。

优化策略Strategy：在PaddleHub中，Strategy类封装了一系列适用于迁移学习的Fine-tune策略。Strategy包含了对预训练参数使用什么学习率变化策略，使用哪种类型的优化器，使用什么类型的正则化等。

预训练模型Module ：Module代表了一个可执行的模型。这里的可执行指的是，Module可以直接通过命令行hub run ${MODULE_NAME}执行预测，或者通过context接口获取上下文后进行Fine-tune。在生成一个Module时，支持通过名称、url或者路径创建Module。

数据预处理Reader ：PaddleHub的数据预处理模块Reader对常见的NLP和CV任务进行了抽象。

数据集Dataset：PaddleHub提供多种NLP任务和CV任务的数据集，可供用户载，用户也可以在自定义数据集上完成Fine-tune。

基于以上介绍的PaddleHub两大功能，用户可以实现：
无需编写代码，一键使用预训练模型进行预测；
通过hub download命令，快速地获取PaddlePaddle生态下的所有预训练模型；
借助PaddleHub Fine-tune API，使用少量代码完成迁移学习。

以下将从实战角度，教你如何使用PaddleHub进行图像分类迁移。

PaddleHub实战

1. 安装

PaddleHub是基于PaddlePaddle的预训练模型管理框架，使用PaddleHub前需要先安装PaddlePaddle，如果你本地已经安装了CPU或者GPU版本的PaddlePaddle，那么可以跳过以下安装步骤。

$ pip install paddlepaddle  #CPU安装命令

或者

$ pip install paddlepaddle-gpu # GPU安装

推荐使用大于1.4.0版本的PaddlePaddle。
通过以下命令来安装PaddleHub
$ pip install paddlehub

2. 选择合适的模型

首先导入必要的python包

# -*- coding: utf8 -*-

import paddlehub as hubimport paddle.fluid as fluid

接下来我们要在PaddleHub中选择合适的预训练模型来Fine-tune，由于猫狗分类是一个图像分类任务，因此我们使用经典的ResNet-50作为预训练模型。PaddleHub提供了丰富的图像分类预训练模型，包括了最新的神经网络架构搜索类的PNASNet，我们推荐你尝试不同的预训练模型来获得更好的性能。

module_map = {
“resnet50”: “resnet_v2_50_imagenet”,
“resnet101”: “resnet_v2_101_imagenet”,
“resnet152”: “resnet_v2_152_imagenet”,
“mobilenet”: “mobilenet_v2_imagenet”,
“nasnet”: “nasnet_imagenet”,
“pnasnet”: “pnasnet_imagenet”
}

module_name = module_map[“resnet50”]
module = hub.Module(name = module_name)

3. 数据准备

接着需要加载图片数据集。为了快速体验，我们直接加载PaddleHub提供的猫狗分类数据集，如果想要使用自定义的数据进行体验，请查看自定义数据。

# 直接用PaddleHub提供的数据集

dataset = hub.dataset.DogCat()

4.自定义数据

本节说明如何组装自定义的数据，如果想使用猫狗数据集进行体验，可以直接跳过本节。
使用自定义数据时，我们需要自己切分数据集，将数据集且分为训练集、验证集和测试集。
同时使用三个文本文件来记录对应的图片路径和标签，此外还需要一个标签文件用于记录标签的名称。
├─data: 数据目录
├─train_list.txt：训练集数据列表
├─test_list.txt：测试集数据列表
├─validate_list.txt：验证集数据列表
├─label_list.txt：标签列表
└─……
训练/验证/测试集的数据列表文件的格式如下
图片1路径 图片1标签
图片2路径 图片2标签
…
标签列表文件的格式如下
分类1名称
分类2名称
…
使用如下的方式进行加载数据，生成数据集对象

注意事项：

1. num_labels要填写实际的分类数量，如猫狗分类该字段值为2，food101该字段值为101，下文以2为例子
2. base_path为数据集实际路径，需要填写全路径，下文以/test/data为例子
3. 训练/验证/测试集的数据列表文件中的图片路径需要相对于base_path的相对路径，例如图片的实际位置为/test/data/dog/dog1.jpg，base_path为/test/data，则文件中填写的路径应该为dog/dog1.jpg

   # 使用本地数据集

   dataset = MyDataSet()

   class MyDataSet(hub.dataset.basecvdataset.ImageClassificationDataset):
   def __init(self):
   self.base_path = “/test/data”
   self.train_list_file = “train_list.txt”
   self.test_list_file = “test_list.txt”
   self.validate_list_file = “validate_list.txt”
   self.label_list_file = “label_list.txt”
   self.label_list = None
   self.num_labels = 2

5.生成Reader

接着生成一个图像分类的reader，reader负责将dataset的数据进行预处理，接着以特定格式组织并输入给模型进行训练。
当我们生成一个图像分类的reader时，需要指定输入图片的大小

data_reader = hub.reader.ImageClassificationReader(
image_width=module.get_expected_image_width(),
image_height=module.get_expected_image_height(),
images_mean=module.get_pretrained_images_mean(),
images_std=module.get_pretrained_images_std(),
dataset=dataset)

6.组建Fine-tune Task

有了合适的预训练模型和准备要迁移的数据集后，我们开始组建一个Task。

由于猫狗分类是一个二分类的任务，而我们下载的cv_classifer_module是在ImageNet数据集上训练的千分类模型，所以我们需要对模型进行简单的微调，把模型改造为一个二分类模型：

1. 获取cv_classifer_module的上下文环境，包括输入和输出的变量，以及Paddle Program；
2. 从输出变量中找到特征图提取层feature_map；
3. 在feature_map后面接入一个全连接层，生成Task；
   input_dict, output_dict, program = module.context(trainable=True)

img = input_dict[“image”]
feature_map = output_dict[“feature_map”]

task = hub.create_img_cls_task(
feature=feature_map, num_classes=dataset.num_labels)

feed_list = [img.name, task.variable(“label”).name]

7.选择运行时配置

在进行Fine-tune前，我们可以设置一些运行时的配置，例如如下代码中的配置，表示：

use_cuda：设置为False表示使用CPU进行训练。如果本机支持GPU，且安装的是GPU版本的PaddlePaddle，我们建议你将这个选项设置为True；

epoch：要求Fine-tune的任务只遍历1次训练集；

batch_size：每次训练的时候，给模型输入的每批数据大小为32，模型训练时能够并行处理批数据，因此batch_size越大，训练的效率越高，但是同时带来了内存的负荷，过大的batch_size可能导致内存不足而无法训练，因此选择一个合适的batch_size是很重要的一步；

log_interval：每隔10 step打印一次训练日志；

eval_interval：每隔50 step在验证集上进行一次性能评估；

checkpoint_dir：将训练的参数和数据保存到cv_Fine-tune_turtorial_demo目录中；

strategy：使用DefaultFine-tuneStrategy策略进行Fine-tune；

更多运行配置，请查看文首的Github项目链接。

config = hub.RunConfig(
use_cuda=False,
num_epoch=1,
checkpoint_dir=”cv_finetune_turtorial_demo”,
batch_size=32,
log_interval=10,
eval_interval=50,
strategy=hub.finetune.strategy.DefaultFinetuneStrategy())

8.开始Fine-tune

我们选择Fine-tune_and_eval接口来进行模型训练，这个接口在Fine-tune的过程中，会周期性的进行模型效果的评估，以便我们了解整个训练过程的性能变化。

hub.finetune_and_eval(
task, feed_list=feed_list, data_reader=data_reader, config=config)

9.查看训练过程的效果

训练过程中的性能数据会被记录到本地，我们可以通过visualdl来可视化这些数据。
我们在shell中输入以下命令来启动visualdl，其中${HOST_IP}为本机IP，需要用户自行指定

$ visualdl —logdir ./ cv_finetune_turtorial_demo/vdllog —host ${HOST_IP} —port 8989

启动服务后，我们使用浏览器访问${HOST_IP}:8989，可以看到训练以及预测的loss曲线和accuracy曲线，如下图所示。

10.使用模型进行预测

当Fine-tune完成后，我们使用模型来进行预测，整个预测流程大致可以分为以下几步：

1. 构建网络
2. 生成预测数据的Reader
3. 切换到预测的Program
4. 加载预训练好的参数
5. 运行Program进行预测

通过以下命令来获取测试的图片（适用于猫狗分类的数据集）

$ wget —no-check-certificate https://PaddleHub.bj.bcebos.com/resources/test_img_cat.jpg
$ wget —no-check-certificate https://PaddleHub.bj.bcebos.com/resources/test_img_dog.jpg

注意：其他数据集所用的测试图片请自行准备
完整预测代码如下：

import os
import numpy as np
import paddle.fluid as fluid
import paddlehub as hub

# Step 1: build Program

module_map = {
“resnet50”: “resnet_v2_50_imagenet”,
“resnet101”: “resnet_v2_101_imagenet”,
“resnet152”: “resnet_v2_152_imagenet”,
“mobilenet”: “mobilenet_v2_imagenet”,
“nasnet”: “nasnet_imagenet”,
“pnasnet”: “pnasnet_imagenet”
}

module_name = module_map[“resnet50”]
module = hub.Module(name = module_name)
input_dict, output_dict, program = module.context(trainable=False)
img = input_dict[“image”]
feature_map = output_dict[“feature_map”]

dataset = hub.dataset.DogCat()
task = hub.create_img_cls_task(
feature=feature_map, num_classes=dataset.num_labels)
feed_list = [img.name]

# Step 2: create data reader

data = [
“test_img_dog.jpg”,
“test_img_cat.jpg”
]

data_reader = hub.reader.ImageClassificationReader(
image_width=module.get_expected_image_width(),
image_height=module.get_expected_image_height(),
images_mean=module.get_pretrained_images_mean(),
images_std=module.get_pretrained_images_std(),
dataset=None)

predict_reader = data_reader.data_generator(
phase=”predict”, batch_size=1, data=data)

label_dict = dataset.label_dict()

# Step 3: switch to inference program

with fluid.program_guard(task.inference_program()):

# Step 4: load pretrained parameters
place = fluid.CPUPlace()
exe = fluid.Executor(place)
pretrained_model_dir = os.path.join("cv_finetune_turtorial_demo", "best_model")
fluid.io.load_persistables(exe, pretrained_model_dir)
feeder = fluid.DataFeeder(feed_list=feed_list, place=place)
# Step 5: predict
for index, batch in enumerate(predict_reader()):
    result, = exe.run(
        feed=feeder.feed(batch), fetch_list=[task.variable('probs')])
    predict_result = np.argsort(result[0])[::-1][0]
    print("input %i is %s, and the predict result is %s" %
          (index+1, data[index], label_dict[predict_result]))