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AI学习者 · 2020年11月19日

人脸106点Caffe模型如何部署到MsnhNet

人脸识别
❝【GiantPandaCV导语】大家好，今天为大家介绍一下如何部署一个人脸106关键点模型到MsnhNet上，涉及到Caffe和Pytorch，MsnhNet模型转换，融合BN简化网络和如何编写MsnhNet预测代码等等。❞

1. 前言

之前，MsnhNet主要支持了将Pytorch模型转换为MsnhNet框架可以运行的模型文件（*.msnhnet和*.bin），并且我们在之前的Pytorch转Msnhnet模型思路分享文章中分享了这个转换的思路。

最近尝试部署一个开源的人脸106点Caffe模型(https://github.com/dog-qiuqiu/MobileNet-Yolo/tree/master/yoloface50k-landmark106)到MsnhNet中，所以这篇文章就记录了我是如何将这个Caffe模型转换到MsnhNet并进行部署的。

2. 通用的转换思路

由于我们已经在Pytroch2Msnhnet这个过程上花费了比较大的精力，所以最直接的办法就是直接将Caffe模型转为Pytorch模型，然后调用已有的Pytorch2Msnhnet工具完成转换，这样是比较快捷省事的。

我参考https://github.com/UltronAI/pytorch-caffe这个工程里面的caffe2pytorch工具新增了一些上面提到的yoloface50k-landmark106关键点模型要用到的OP，如PReLU，nn.BatchNorm1D以及只有2个维度的Scale层等，例如将Scale层重写为：

`class Scale(nn.Module):
    def __init__(self, channels):
        super(Scale, self).__init__()
        self.weight = Parameter(torch.Tensor(channels))
        self.bias = Parameter(torch.Tensor(channels))
        self.channels = channels
 # Python 有一个内置的函数叫 repr,它能把一个对象用字符串的形式表达出来以便辨认,这就是“字符串表示形式”
    def __repr__(self):
        return 'Scale(channels = %d)' % self.channels

    def forward(self, x):
  # landmark网络最后的全连接层后面接了Scale，所以需要考虑Scale层输入为2维的情况
        if x.dim() == 2:
            nB = x.size(0)
            nC = x.size(1)
            x = x * self.weight.view(1, nC).expand(nB, nC) + \
                self.bias.view(1, nC).expand(nB, nC)
        else:
            nB = x.size(0)
            nC = x.size(1)
            nH = x.size(2)
            nW = x.size(3)
            x = x * self.weight.view(1, nC, 1, 1).expand(nB, nC, nH, nW) + \
                self.bias.view(1, nC, 1, 1).expand(nB, nC, nH, nW)
        return x
`

可以看到这个Caffe里面的Scale层Pytorch是不原生支持的，这是Caffe特有的层，所以这里写一个Scale类继承nn.Module来拼出一个Scale层。除了Scale层还有其它的很多层是这种做法，例如Eletwise层可以这样来拼：

`class Eltwise(nn.Module):
    def __init__(self, operation='+'):
        super(Eltwise, self).__init__()
        self.operation = operation

    def __repr__(self):
        return 'Eltwise %s' % self.operation

    def forward(self, *inputs):
        if self.operation == '+' or self.operation == 'SUM':
            x = inputs[0]
            for i in range(1,len(inputs)):
                x = x + inputs[i]
        elif self.operation == '*' or self.operation == 'MUL':
            x = inputs[0]
            for i in range(1,len(inputs)):
                x = x * inputs[i]
        elif self.operation == '/' or self.operation == 'DIV':
            x = inputs[0]
            for i in range(1,len(inputs)):
                x = x / inputs[i]
        elif self.operation == 'MAX':
            x = inputs[0]
            for i in range(1,len(inputs)):
                x =torch.max(x, inputs[i])
        else:
            print('forward Eltwise, unknown operator')
        return x
`

介绍了如何在Pytorch中拼凑出Caffe的特有层之后，我们就可以对Caffe模型进行解析，然后利用解析后的层关键信息完成Caffe模型到Pytorch模型的转换了。解析Caffe模型的代码实现在https://github.com/msnh2012/Msnhnet/blob/master/tools/caffe2Msnhnet/prototxt.py文件，我们截出一个核心部分说明一下，更多细节读者可以亲自查看。
我们以一个卷积层为例，来理解一下这个Caffe模型中的prototxt解析函数：

`layer {
  name: "conv1_conv2d"
  type: "Convolution"
  bottom: "data"
  top: "conv1_conv2d"
  convolution_param {
    num_output: 8
    bias_term: false
    group: 1
    stride: 2
    pad_h: 1
    pad_w: 1
    kernel_h: 3
    kernel_w: 3
  }
}
`

解析prototxt文件的代码实现如下，结合上面卷积层的prototxt表示和下面代码的注释应该很好理解：

`def parse_prototxt(protofile):
 # caffe的每个layer以{}包起来
    def line_type(line):
        if line.find(':') >= 0:
            return 0
        elif line.find('{') >= 0:
            return 1
        return -1

    def parse_block(fp):
        # 使用OrderedDict会根据放入元素的先后顺序进行排序，所以输出的值是排好序的
        block = OrderedDict()
        line = fp.readline().strip()
        while line != '}':
            ltype = line_type(line)
            if ltype == 0: # key: value
                #print line
                line = line.split('#')[0]
                key, value = line.split(':')
                key = key.strip()
                value = value.strip().strip('"')
                if key in  block:
                    if type(block[key]) == list:
                        block[key].append(value)
                    else:
                        block[key] = [block[key], value]
                else:
                    block[key] = value
            elif ltype == 1: # 获取块名，以卷积层为例返回[layer, convolution_param]
                key = line.split('{')[0].strip()
                # 递归
                sub_block = parse_block(fp)
                block[key] = sub_block
            line = fp.readline().strip()
            # 忽略注释
            line = line.split('#')[0]
        return block

    fp = open(protofile, 'r')
    props = OrderedDict()
    layers = []
    line = fp.readline()
    counter = 0
    while line:
        line = line.strip().split('#')[0]
        if line == '':
            line = fp.readline()
            continue
        ltype = line_type(line)
        if ltype == 0: # key: value
            key, value = line.split(':')
            key = key.strip()
            value = value.strip().strip('"')
            if key in  props:
               if type(props[key]) == list:
                   props[key].append(value)
               else:
                   props[key] = [props[key], value]
            else:
                props[key] = value
        elif ltype == 1: # 获取块名，以卷积层为例返回[layer, convolution_param]
            key = line.split('{')[0].strip()
            if key == 'layer':
                layer = parse_block(fp)
                layers.append(layer)
            else:
                props[key] = parse_block(fp)
        line = fp.readline()

    if len(layers) > 0:
        net_info = OrderedDict()
        net_info['props'] = props
        net_info['layers'] = layers
        return net_info
    else:
        return props
`

然后解析CaffeModel比较简单，直接调用caffe提供的接口即可，代码实现如下：

`def parse_caffemodel(caffemodel):
    model = caffe_pb2.NetParameter()
    print ('Loading caffemodel: '), caffemodel
    with open(caffemodel, 'rb') as fp:
        model.ParseFromString(fp.read())

    return model
`

解析完Caffe模型之后，我们就拿到了所有Layer的参数信息和权重，我们只需要将其对应放到Pytorch实现的Layer就可以了，这部分的代码实现就是https://github.com/msnh2012/Msnhnet/blob/master/tools/caffe2Msnhnet/caffenet.py#L332这里的CaffeNet类这里就不再过多解释了，因为这仅仅是一个构件Pytorch模型并加载权重的过程，相信熟悉Pytorch的同学不难看懂和写出这部分代码。执行完这个过程之后我们就可以获得Caffe模型对应的Pytorch模型了。

3. 精简网络

为了让Pytorch模型转出来的MsnhNet模型推理更快，我们可以考虑在Caffe转到Pytorch模型时就精简一些网络层，比如常规的Convolution+BN+Scale可以融合为一个层。我们发现这里还存在一个FC+BN+Scale的结构，我们也可以一并融合了。这里可以再简单回顾一下融合的原理。

3.1 融合BN原理介绍

「我们知道卷积层的计算可以表示为：」
「然后BN层的计算可以表示为：」
「我们把二者组合一下，公式如下：」
然后令
「那么，合并BN层后的卷积层的权重和偏置可以表示为：」
这个公式同样可以用于反卷积，全连接和BN+Scale的组合情况。

3.2 融合BN

基于上面的理论，我们可以在转Caffe模型之前就把BN融合掉，这样我们在MsnhNet上推理更快（另外一个需要融合的原因是目前MsnhNet的图优化工具还在开发中，暂时不支持带BN+Scale层的融合）。Caffe模型融合的代码我放在https://github.com/msnh2012/Msnhnet/blob/master/tools/caffe2Msnhnet/caffeOptimize/caffeOptimize.py这里了，简要介绍如下：

image.png
Caffe BN融合工具

4. MsnhNet推理

精简网络之后我们就可以重新将没有BN的Caffe模型转到Pytorch再转到MsnhNet了，这部分的示例如下：

`# -*- coding: utf-8

 from pytorch2caffe import plot_graph, pytorch2caffe

import sys
import cv2
import caffe
import numpy as np
import os
from caffenet import *
import argparse
import torch
from PytorchToMsnhnet import *

   

parser = argparse.ArgumentParser(description='Convert Caffe model to MsnhNet model.',
                                 formatter_class=argparse.ArgumentDefaultsHelpFormatter)
parser.add_argument('--model', type=str, default=None)
parser.add_argument('--weights', type=str, default=None)
parser.add_argument('--height', type=int, default=None)
parser.add_argument('--width', type=int, default=None)
parser.add_argument('--channels', type=int, default=None)

args = parser.parse_args()

model_def = args.model
model_weights = args.weights
name = model_weights.split('/')[-1].split('.')[0]
width = args.width
height = args.height
channels = args.channels

net = CaffeNet(model_def, width=width, height=height, channels=channels)
net.load_weights(model_weights)
net.to('cpu')
net.eval()

input=torch.ones([1,channels,height,width])

model_name = name + ".msnhnet"

model_bin = name + ".msnhbin"

trans(net, input,model_name,model_bin)
`

获得了MsnhNet的模型文件之后，我们就可以使用MsnhNet进行推理了，推理部分的代码在https://github.com/msnh2012/Msnhnet/blob/master/examples/landmark106/landmark106.cpp。

我们来看看效果，随便拿一张人脸图片来测试一下：
image.png

原图

image.png

结果图

landmark的结果还是比较正确的，另外我们对比了Caffe/Pytorch/MsnhNet的每层特征值，Float32情况下相似度均为100%，证明我们的转换过程是正确的。

我们在「X86 CPU」 i7 10700F上测一下速度(float32推理)，结果如下：

image.png

速度还是挺快的，由于本框架目前在x86没有太多优化，所以这个速度后面会进一步优化的。感兴趣的读者也可以测试在其它平台上这个模型的速度。

5. 转换工具支持的OP和用法

5.1 介绍

Caffe2msnhnet工具首先将你的Caffe模型转换为Pytorch模型，然后调用Pytorch2msnhnet工具将Caffe模型转为*.msnhnet和*.bin。

5.2 依赖

  • Pycaffe
  • Pytorch

5.3 计算图优化

  • 在调用caffe2msnhnet.py之前建议使用caffeOPtimize文件夹中的caffeOptimize.py对原始的Caffe模型进行图优化，目前已支持的操作有：
  • Conv+BN+Scale 融合到 Conv
  • Deconv+BN+Scale 融合到Deconv
  • InnerProduct+BN+Scale 融合到InnerProduct

5.4 Caffe2Pytorch支持的OP

  • Convolution 转为 nn.Conv2d
  • Deconvolution 转为 nn.ConvTranspose2d
  • BatchNorm 转为 nn.BatchNorm2d或者nn.BatchNorm1d
  • Scale 转为 乘/加
  • ReLU 转为 nn.ReLU
  • LeakyReLU 转为 nn.LeakyReLU
  • PReLU 转为 nn.PReLU
  • Max Pooling 转为 nn.MaxPool2d
  • AVE Pooling 转为 nn.AvgPool2d
  • Eltwise 转为 加/减/乘/除/torch.max
  • InnerProduct 转为nn.Linear
  • Normalize 转为 pow/sum/sqrt/加/乘/除拼接
  • Permute 转为torch.permute
  • Flatten 转为torch.view
  • Reshape 转为numpy.reshape/torch.from_numpy拼接
  • Slice 转为torch.index_select
  • Concat 转为torch.cat
  • Crop 转为torch.arange/torch.resize_拼接
  • Softmax 转为torch.nn.function.softmax

5.5 Pytorch2Msnhnet支持的OP

  • conv2d
  • max\_pool2d
  • avg\_pool2d
  • adaptive\_avg\_pool2d
  • linear
  • flatten
  • dropout
  • batch\_norm
  • interpolate(nearest, bilinear)
  • cat
  • elu
  • selu
  • relu
  • relu6
  • leaky\_relu
  • tanh
  • softmax
  • sigmoid
  • softplus
  • abs
  • acos
  • asin
  • atan
  • cos
  • cosh
  • sin
  • sinh
  • tan
  • exp
  • log
  • log10
  • mean
  • permute
  • view
  • contiguous
  • sqrt
  • pow
  • sum
  • pad
  • +|-|x|/|+=|-=|x=|/=|

5.6 使用方法举例

  • python caffe2msnhnet --model landmark106.prototxt --weights landmark106.caffemodel --height 112 --width 112 --channels 3，执行完之后会在当前目录下生成lanmark106.msnhnet和landmark106.bin文件。

6. 总结

至此，我们完成了yoloface50k-landmark106在MsnhNet上的模型转换和部署测试，如果对本框架感兴趣可以尝试部署自己的一个模型试试看，如果转换工具有问题请在github提出issue或者直接联系我们。点击阅读原文可以快速关注MsnhNet，这是我们业余开发的一个轻量级推理框架，如果对模型部署和算法优化感兴趣的读者可以看看，我们也会在GiantPandaCV公众号分享我们的框架开发和算子优化相关的经历。

7. 参考

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