caffe for python

导言

本教程中，我们将会利用Caffe官方提供的深度模型——CaffeNet（该模型是基于Krizhevsky等人的模型的）来演示图像识别与分类。我们将分别用CPU和GPU来进行演示，并对比其性能。然后深入探讨该模型的一些其它特征。

1、准备工作

1.1 首先，安装Python，numpy以及matplotlib。

 #安装Python环境、numpy、matplotlib
    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    %matplotlib inline

    #设置默认显示参数
    plt.rcParams['figure.figsize'] = (10, 10)        # 图像显示大小
    plt.rcParams['image.interpolation'] = 'nearest'  # 最近邻差值: 像素为正方形
    plt.rcParams['image.cmap'] = 'gray'  # 使用灰度输出而不是彩色输出

1.2 然后，加载Load caffe。

# caffe模块要在Python的路径下;
# 这里我们将把caffe 模块添加到Python路径下.
import sys
caffe_root = '../'  #该文件要从路径{caffe_root}/examples下运行，否则要调整这一行。
sys.path.insert(0, caffe_root + 'python')

import caffe
# 如果你看到"No module named _caffe",那么要么就是你没有正确编译pycaffe；要么就是你的路径有错误。

说明：该步骤，本人是将编译好的pycaffe文件下的全部东西复制到Python的“site-packages”下的。所以不知道按上述做法具体会出现什么问题。

1.3 必要的话，需要事先下载“CaffeNet”模型，该模型是AlexNet的变形。

import os
    if os.path.isfile(caffe_root + 'models/bvlc_reference_caffenet/bvlc_reference_caffenet.caffemodel'):
        print 'CaffeNet found.'
    else:
        print 'Downloading pre-trained CaffeNet model...'
        !../scripts/download_model_binary.py ../models/bvlc_reference_caffenet

说明：该步骤，本人是事先下载好”bvlc_reference_caffenet.caffemodel”，然后将其放在”caffe_root + ‘models/bvlc_reference_caffenet/”目录下面，因为用代码下载太慢了。

2、加载网络并设置输入预处理

2.1 将Caffe设置为CPU模式，并从硬盘加载网络。

    caffe.set_mode_cpu()

    model_def = caffe_root + 'models/bvlc_reference_caffenet/deploy.prototxt'
    model_weights = caffe_root + 'models/bvlc_reference_caffenet/bvlc_reference_caffenet.caffemodel'

    net = caffe.Net(model_def,      # 定义模型结构
                    model_weights,  # 包含了模型的训练权值
                    caffe.TEST)     # 使用测试模式(不执行dropout)

2.2 设置输入预处理(我们将用Caffe’s caffe.io.Transformer来进行预处理。不过该步骤与caffe的其它模块是相互独立的，所以任何预处理代码应该都是可行的)。我们使用的CaffeNet模型默认的输入图像格式是BGR格式的，其像素值位于[0,255]之间，同时每个像素值都减去了ImageNet图像的平均值。除此之外，通道的维数等于第一维(outermost)的大小。另外，因为matplotlib加载的图像的值位于[0,1]之间，并且格式是RGB格式，通道的维数等于innermost的维数，所以我们需要做一些变换(感觉这一段翻译的太烂)，如下：

    # 加载ImageNet图像均值 (随着Caffe一起发布的)
    mu = np.load(caffe_root + 'python/caffe/imagenet/ilsvrc_2012_mean.npy')
    mu = mu.mean(1).mean(1)  #对所有像素值取平均以此获取BGR的均值像素值
    print 'mean-subtracted values:', zip('BGR', mu)

    # 对输入数据进行变换
    transformer = caffe.io.Transformer({'data': net.blobs['data'].data.shape})

    transformer.set_transpose('data', (2,0,1))  #将图像的通道数设置为outermost的维数
    transformer.set_mean('data', mu)            #对于每个通道，都减去BGR的均值像素值
    transformer.set_raw_scale('data', 255)      #将像素值从[0,255]变换到[0,1]之间
    transformer.set_channel_swap('data', (2,1,0))  #交换通道，从RGB变换到BGR

3、用CPU分类

3.1 现在我们开始进行分类。尽管我们只对一张图像进行分类，不过我们将batch的大小设置为50以此来演示batching。

# 设置输入图像大小
    net.blobs['data'].reshape(50,        # batch 大小
                              3,         # 3-channel (BGR) images
                              227, 227)  # 图像大小为:227x227

3.2 加载图像(caffe自带的)并进行预处理。

    image = caffe.io.load_image(caffe_root + 'examples/images/cat.jpg')
    transformed_image = transformer.preprocess('data', image)
    plt.imshow(image)
    plt.show()

说明：这里的”plt.show()”是我自己加的，不加的话没法显示图像。

3.3 接下来，开始进行识别分类

# 将图像数据拷贝到为net分配的内存中
    net.blobs['data'].data[...] = transformed_image

    ### 执行分类
    output = net.forward()
    output_prob = output['prob'][0]  #batch中第一张图像的概率值
    print 'predicted class is:', output_prob.argmax()

predicted class is: 281

网络输出是一个概率向量；最可能的类别是第281个类别。但是结果是否正确呢，让我们来查看一下ImageNet的标签。

    # 加载ImageNet标签
    labels_file = caffe_root + 'data/ilsvrc12/synset_words.txt'
    if not os.path.exists(labels_file):
        !../data/ilsvrc12/get_ilsvrc_aux.sh

    labels = np.loadtxt(labels_file, str, delimiter='\t')

    print 'output label:', labels[output_prob.argmax()]

说明：ImageNet标签文件(synset_words.txt)需要自己下载

output label: n02123045 tabby, tabby cat

”Tabby cat”是正确的，然后我们再来看下其它几个置信的较高的结果。

# sort top five predictions from softmax output
    top_inds = output_prob.argsort()[::-1][:5]  # reverse sort and take five largest items

    print 'probabilities and labels:'
    zip(output_prob[top_inds], labels[top_inds])

probabilities and labels:

[(0.31243637, 'n02123045 tabby, tabby cat'),
 (0.2379719, 'n02123159 tiger cat'),
 (0.12387239, 'n02124075 Egyptian cat'),
 (0.10075711, 'n02119022 red fox, Vulpes vulpes'),
 (0.070957087, 'n02127052 lynx, catamount')]

我们可以看出，较低置信度的结构也是合理的。

4、GPU模式

4.1 让我们先看下CPU的分类时间，然后再与GPU进行比较。

    %timeit net.forward()

1 loop, best of 3: 1.42 s per loop

还是需要一段时间的，即使是对批量的50张图像。然后，让我们看下GPU模式下的运行时间。

caffe.set_device(0)  # 如果你有多个GPU，那么选择第一个
caffe.set_mode_gpu()
net.forward()  # run once before timing to set up memory
%timeit net.forward()

10 loops, best of 3: 70.2 ms per loop

这下就快多了。

5、测试网络的中间层输出

我们的网络不单单是一个黑盒子。接下来，我们来看下该模型的一些参数和一些中间输出。首先，我们来看下如何读取网络的结构(每层的名字以及相应层的参数)。对于每一层，其结构构成为:(batch_size, channel_dim, height, width)。

# 对于每一层，显示输出类型。
    for layer_name, blob in net.blobs.iteritems():
        print layer_name + '\t' + str(blob.data.shape)

    data    (50, 3, 227, 227)
    conv1   (50, 96, 55, 55)
    pool1   (50, 96, 27, 27)
    norm1   (50, 96, 27, 27)
    conv2   (50, 256, 27, 27)
    pool2   (50, 256, 13, 13)
    norm2   (50, 256, 13, 13)
    conv3   (50, 384, 13, 13)
    conv4   (50, 384, 13, 13)
    conv5   (50, 256, 13, 13)
    pool5   (50, 256, 6, 6)
    fc6 (50, 4096)
    fc7 (50, 4096)
    fc8 (50, 1000)
    prob    (50, 1000)

现在，我们来看下参数的形状。参数是OrderdDict类型，net.params。我们根据索引来访问参数。[0]:表示weights,[1]:表示biases。

参数形状的构成为:

(output_channels, input_channels, filter_height, filter_width)为weights;(output_channels,)为biases。

for layer_name, param in net.params.iteritems():
        print layer_name + '\t' + str(param[0].data.shape), str(param[1].data.shape)

    conv1   (96, 3, 11, 11) (96,)
    conv2   (256, 48, 5, 5) (256,)
    conv3   (384, 256, 3, 3) (384,)
    conv4   (384, 192, 3, 3) (384,)
    conv5   (256, 192, 3, 3) (256,)
    fc6 (4096, 9216) (4096,)
    fc7 (4096, 4096) (4096,)
    fc8 (1000, 4096) (1000,)

因为我们处理的是四位数据，所以我们将定义一个帮助函数来可视化特征。

def vis_square(data):
        """输入一个形如：(n, height, width) or (n, height, width, 3)的数组，并对每一个形如(height,width)的特征进行可视化sqrt(n) by sqrt(n)"""

        # 正则化数据
        data = (data - data.min()) / (data.max() - data.min())

        # 将滤波器的核转变为正方形
        n = int(np.ceil(np.sqrt(data.shape[0])))
        padding = (((0, n ** 2 - data.shape[0]),
                   (0, 1), (0, 1))                 # 在相邻的滤波器之间加入空白
                   + ((0, 0),) * (data.ndim - 3))  # 不扩展最后一维
        data = np.pad(data, padding, mode='constant', constant_values=1)  # 扩展一个像素(白色)

        # tile the filters into an image
        data = data.reshape((n, n) + data.shape[1:]).transpose((0, 2, 1, 3) + tuple(range(4, data.ndim + 1)))
        data = data.reshape((n * data.shape[1], n * data.shape[3]) + data.shape[4:])

        plt.imshow(data)
        plt.axis('off')
        plt.show()

首先，我们来看下第一个卷积层(conv1)的输出特征。

    # 参数为一个[weights, biases]的列表
    filters = net.params['conv1'][0].data
    vis_square(filters.transpose(0, 2, 3, 1))

上图为conv1的输出。

    feat = net.blobs['conv1'].data[0, :36]
    vis_square(feat)

上图为pool5的输出。

    feat = net.blobs['pool5'].data[0]
    vis_square(feat)

上图为第一个全连接层(fc6)的输出。

接下来，我们将显示输出结果及直方图。

    feat = net.blobs['fc6'].data[0]
    plt.subplot(2, 1, 1)
    plt.plot(feat.flat)
    plt.subplot(2, 1, 2)
    _ = plt.hist(feat.flat[feat.flat > 0], bins=100)
    plt.show()

上图为最终的概率输出，prob。

    feat = net.blobs['prob'].data[0]
    plt.figure(figsize=(15, 3))
    plt.plot(feat.flat)
    plt.show()

上图显示了分类的聚类结果，峰值对应的标签为预测结果。

6、测试自己的图像

现在，我们随便从网上找一种图像，然后安装上述步骤来进行分类。

将”my_image_url”设为图像的链接（URL）

# 下载图像
    my_image_url = "..."  # 将你的图像URL粘贴到这里
    # 例如:
    # my_image_url = "https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Orang_Utan%2C_Semenggok_Forest_Reserve%2C_Sarawak%2C_Borneo%2C_Malaysia.JPG"
    !wget -O image.jpg $my_image_url

    # 变换图像并将其拷贝到网络
    image = caffe.io.load_image('image.jpg')
    net.blobs['data'].data[...] = transformer.preprocess('data', image)

    # 预测分类结果
    net.forward()

    # 获取输出概率值
    output_prob = net.blobs['prob'].data[0]

    # 将softmax的输出结果按照从大到小排序，并提取前5名
    top_inds = output_prob.argsort()[::-1][:5]

    plt.imshow(image)
    plt.show()
    print 'probabilities and labels:'
    zip(output_prob[top_inds], labels[top_inds])

实际中我对上述代码稍作了些改动代码：CaffePython。

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