移动端深度学习部署：TFlite

1.TFlite 介绍

（ 1 ） TFlite 概念

• tflite 是谷歌自己的一个轻量级推理库。主要用于移动端。

• tflite 使用的思路主要是从预训练的模型转换为 tflite 模型文件，拿到移动端部署。

• tflite 的源模型可以来自 tensorflow 的 saved model 或者 frozen model, 也可以来自 keras 。

（ 2 ） TFlite 优点

用Flatbuffer序列化模型文件，这种格式磁盘占用少，加载快

可以对模型进行量化，把float参数量化为uint8类型，模型文件更小、计算更快。

可以对模型进行剪枝、结构合并和蒸馏。

对NNAPI的支持。可调用安卓底层的接口，把异构的计算能力利用起来。

（ 3 ） TFlite 量化

a.量化的好处

• 较小的存储大小：小模型在用户设备上占用的存储空间更少。例如，一个使用小模型的 Android 应用在用户的移动设备上会占用更少的存储空间。

• 较小的下载大小：小模型下载到用户设备所需的时间和带宽较少。

• 更少的内存用量：小模型在运行时使用的内存更少，从而释放内存供应用的其他部分使用，并可以转化为更好的性能和稳定性。

b. 量化的过程

tflite的量化并不是全程使用uint8计算。而是存储每层的最大和最小值，然后把这个区间线性分成 256 个离散值，于是此范围内的每个浮点数可以用八位 (二进制) 整数来表示，近似为离得最近的那个离散值。比如，最小值是 -3 而最大值是 6 的情形，0 字节表示 -3，255 表示 6，而 128 是 1.5。每个操作都先用整形计算，输出时重新转换为浮点型。下图是量化Relu的示意图。

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Tensorflow官方量化文档

c. 量化的实现

训练后动态量化

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| import tensorflow as tf converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(saved_model_dir) #converter.optimizations = tf.lite.Optimize.DEFAULT converter.optimizations = tf.lite.Optimize.OPTIMIZE_FOR_SIZE tflite_model1 = converter.convert() open("xxx.tflite", "wb").write(tflite_model1) |

训练后float16量化

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| import tensorflow as tf converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(saved_model_dir) converter.optimizations = tf.lite.Optimize.DEFAULT converter.target_spec.supported_types = tf.float16 tflite_quant_model = converter.convert() tflite_model1 = converter.convert() open("xxx.tflite", "wb").write(tflite_model1) |

训练后int8量化

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| import tensorflow as tf converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(saved_model_dir) converter.optimizations = tf.lite.Optimize.DEFAULT def representative_dataset_gen(): for _ in range(num_calibration_steps): # Get sample input data as a numpy array in a method of your choosing. yield input converter.representative_dataset = representative_dataset_gen converter.target_spec.supported_ops = tf.lite.OpsSet.TFLITE_BUILTINS_INT8 converter.inference_input_type = tf.int8 # or tf.uint8 converter.inference_output_type = tf.int8 # or tf.uint8 tflite_model1 = converter.convert() open("xxx.tflite", "wb").write(tflite_model1) |

注：float32和float16量化可以运行再GPU上，int8量化只能运行再CPU上

2.TFlite 模型转换

（ 1 ）在训练的时候就保存 tflite 模型

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| import tensorflow as tf img = tf.placeholder(name="img", dtype=tf.float32, shape=(1, 64, 64, 3)) val = img + tf.constant(1., 2., 3.) + tf.constant(1., 4., 4.) out = tf.identity(val, name="out") with tf.Session() as sess: tflite_model = tf.lite.toco_convert(sess.graph_def, img, out) open("converteds_model.tflite", "wb").write(tflite_model) |

（ 2 ）使用其他格式的 TensorFlow 模型转换成 tflite 模型

首先要安装Bazel，参考：https://docs.bazel.build/versions/master/install-ubuntu.html ，只需要完成Installing using binary installer这一部分即可。然后克隆TensorFlow的源码：

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| git clone https://github.com/tensorflow/tensorflow.git |

接着编译转换工具，这个编译时间可能比较长：

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| cd tensorflow/ bazel build tensorflow/python/tools:freeze_graph bazel build tensorflow/lite/toco:toco |

获得到转换工具之后，开始转换模型，以下操作是冻结图：

• input_graph对应的是.pb文件；

• input_checkpoint对应mobilenet_v1_1.0_224.ckpt.data-00000-of-00001，使用时去掉后缀名。

• output_node_names这个可以在mobilenet_v1_1.0_224_info.txt中获取。

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| ./freeze_graph --input_graph=/mobilenet_v1_1.0_224/mobilenet_v1_1.0_224_frozen.pb \ --input_checkpoint=/mobilenet_v1_1.0_224/mobilenet_v1_1.0_224.ckpt \ --input_binary=true \ --output_graph=/tmp/frozen_mobilenet_v1_224.pb \ --output_node_names=MobilenetV1/Predictions/Reshape_1 |

将冻结的图转换成tflite模型：

• input_file是已经冻结的图；

• output_file是转换后输出的路径；

• output_arrays这个可以在mobilenet_v1_1.0_224_info.txt中获取；

• input_shapes这个是预测数据的shape

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| ./toco --input_file=/tmp/mobilenet_v1_1.0_224_frozen.pb \ --input_format=TENSORFLOW_GRAPHDEF \ --output_format=TFLITE \ --output_file=/tmp/mobilenet_v1_1.0_224.tflite \ --inference_type=FLOAT \ --input_type=FLOAT \ --input_arrays=input \ --output_arrays=MobilenetV1/Predictions/Reshape_1 \ --input_shapes=1,224,224,3 |

（ 3 ）使用检查点进行模型转换

• 将tensorflow模型保存成.pb文件

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| import tensorflow as tf from tensorflow.python.framework import graph_util from tensorflow.python.platform import gfile if name == "main": a = tf.Variable(tf.constant(5.,shape=1),name="a") b = tf.Variable(tf.constant(6.,shape=1),name="b") c = a + b init = tf.initialize_all_variables() sess = tf.Session() sess.run(init) #导出当前计算图的GraphDef部分 graph_def = tf.get_default_graph().as_graph_def() #保存指定的节点，并将节点值保存为常数 output_graph_def = graph_util.convert_variables_to_constants(sess,graph_def,'add') #将计算图写入到模型文件中 model_f = tf.gfile.GFile("model.pb","wb") model_f.write(output_graph_def.SerializeToString()) |

• 模型文件的读取

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| Bash sess = tf.Session() #将保存的模型文件解析为GraphDef model_f = gfile.FastGFile("model.pb",'rb') graph_def = tf.GraphDef() graph_def.ParseFromString(model_f.read()) c = tf.import_graph_def(graph_def,return_elements="add:0") print(sess.run(c)) #array(\[ 11., dtype=float32)] |

• pb文件转tflite

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| Python import tensorflow as tf in_path=r'D:\tmp_mobilenet_v1_100_224_classification_3\output_graph.pb' out_path=r'D:\tmp_mobilenet_v1_100_224_classification_3\output_graph.tflite' input_tensor_name='Placeholder' input_tensor_shape={'Placeholder':1,224,224,3} class_tensor_name='final_result' convertr=tf.lite.TFLiteConverter.from_frozen_graph(in_path,input_arrays=input_tensor_name ,output_arrays=class_tensor_name ,input_shapes=input_tensor_shape) # convertr=tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(saved_model_dir=in_path,input_arrays=input_tensor_name,output_arrays=class_tensor_name) tflite_model=convertr.convert() with open(out_path,'wb') as f: f.write(tflite_model) |

3. 在 Android 端调用 TFlite 模型文件

（ 1 ） Android studio 中调用 TFlite 模型实现推理的流程

• 定义一个interpreter

• 初始化interpreter(加载tflite模型)

• 在Android中加载图片到buffer中

• 用解释器执行图形（推理）

• 将推理的结果在app中进行显示

（ 2 ）在 Android Studio 中导入 TFLite 模型步骤

• 新建或打开现有Android项目工程。

• 通过菜单项 File > New > Other > TensorFlow Lite Model 打开TFLite模型导入对话框。

• 选择后缀名为.tflite的模型文件。模型文件可以从网上下载或自行训练。

• 导入的.tflite模型文件位于工程的 ml/ 文件夹下面。

模型主要包括如下三种信息：

• 模型：包括模型名称、描述、版本、作者等等。

• 张量：输入和输出张量。比如图片需要预先处理成合适的尺寸，才能进行推理。