Pytorch与深度学习 #10.PyTorch训练好的模型如何部署到Tensorflow环境中

1. Tensorflow vs Pytorch

在这个AI时代，各大厂商都在主推自家的AI框架，因此知名和不知名的大大小小可能十来种。但是我们选型的时候，一般首先考虑是Google家的Tensorflow呢还是Meta家的Pytorch。

在选择 PyTorch 或 TensorFlow 进行工业级开发时，以下是一些考虑因素：

1.1. PyTorch

1. 易用性和灵活性：

   • PyTorch 的动态计算图使其更易于调试和开发。代码风格类似于 Python，因此对开发者友好。
   • 适合研究和快速原型开发。

2. 社区和支持：

   • PyTorch 拥有活跃的社区和大量的开源项目支持。Facebook 主要推动其发展。
   • 在学术界和研究领域非常受欢迎。

3. 性能：

   • PyTorch 具有优秀的性能，特别是在 GPU 上进行训练和推理。
   • 支持分布式训练。

1.2. TensorFlow

1. 生产环境和部署：

   • TensorFlow 在工业级生产环境中的部署工具更为完善。其 TensorFlow Serving、TensorFlow Lite 和 TensorFlow.js 提供了多种部署选项，涵盖服务器、移动设备和网页。
   • TensorFlow Extended (TFX) 提供了一套完整的生产级机器学习流水线工具。

2. 社区和支持：

   • 由 Google 维护，拥有强大的技术支持和丰富的资源。
   • 拥有广泛的企业使用案例和成功部署经验。

3. 兼容性和扩展性：

   • TensorFlow 2.0 之后引入了更易用的 API，改善了用户体验，同时保留了强大的功能和灵活性。
   • 支持多种编程语言，包括 Python、C++ 和 JavaScript。

1.3. 简单的说

• PyTorch：适合需要灵活性、易用性以及快速开发原型的项目，特别是在研究和开发阶段。
• TensorFlow：适合需要稳定性、成熟的生产环境支持和多种部署选项的工业级项目。

如果你的项目需要快速迭代和实验，可以选择 PyTorch。如果你更关注部署和生产环境的稳定性，TensorFlow 可能是更好的选择。

1.4. 但是...

但是，孩子才做选择，成年人都是

但是，我们不禁又遇到一个问题，怎么即享受Pytorch带来的便利的同时，还能拥有Tensorflow的广泛性。所以这篇文章就是告诉你该怎么做的一个指南。

2. 将Pytorch模型转换成Tensorflow的模型

步骤 1：使用 PyTorch 训练和保存模型

假设我们使用 PyTorch 训练了一个简单的模型，并将其保存为 .pt 文件。

import torch
import torch.nn as nn

# 定义一个简单的模型
class SimpleModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleModel, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(28 * 28, 128)
        self.fc2 = nn.Linear(128, 10)

    def forward(self, x):
        x = torch.relu(self.fc1(x))
        x = self.fc2(x)
        return x

# 实例化模型并训练（假设训练代码已完成）
model = SimpleModel()

# 保存 PyTorch 模型
torch.save(model.state_dict(), 'simple_model.pth')

步骤 2：将 PyTorch 模型转换为 ONNX 格式

ONNX（Open Neural Network Exchange）是一种开放的中间格式，支持从 PyTorch 导出并在 TensorFlow 中导入。

import torch.onnx

# 定义输入张量的大小（例如，MNIST 数据集的输入是 1x28x28）
dummy_input = torch.randn(1, 28 * 28)

# 加载模型并导出为 ONNX 格式
model.load_state_dict(torch.load('simple_model.pth'))
model.eval()
torch.onnx.export(model, dummy_input, 'simple_model.onnx', input_names=['input'], output_names=['output'])

步骤 3：将 ONNX 模型转换为 TensorFlow SavedModel 格式

可以使用 onnx-tf 工具将 ONNX 模型转换为 TensorFlow SavedModel 格式。

1. 安装 onnx-tf：

   pip install onnx-tf

2. 使用 onnx-tf 进行转换：

   onnx-tf convert -i simple_model.onnx -o simple_model_saved_model

步骤 4：将 TensorFlow SavedModel 转换为 TensorFlow Lite 格式

有了 TensorFlow SavedModel 后，我们可以使用 TensorFlow Lite 转换器将其转换为 .tflite 文件。

import tensorflow as tf

# 加载 SavedModel
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model('simple_model_saved_model')

# 可选：进行量化来优化模型大小和速度（例如动态范围量化）
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]

# 转换模型为 TFLite 格式
tflite_model = converter.convert()

# 保存 TFLite 模型
with open('simple_model.tflite', 'wb') as f:
    f.write(tflite_model)

步骤 5：将 TensorFlow Lite 模型部署到目标设备上并运行推理

将 .tflite 文件复制到目标设备（例如树莓派）上，并使用 TensorFlow Lite 的解释器运行推理。

在树莓派或其他设备上，可以使用 Python 代码加载和运行 TensorFlow Lite 模型：

import numpy as np
import tensorflow as tf

# 加载 TFLite 模型
interpreter = tf.lite.Interpreter(model_path='simple_model.tflite')
interpreter.allocate_tensors()

# 获取输入和输出张量的信息
input_details = interpreter.get_input_details()
output_details = interpreter.get_output_details()

# 创建一个模拟的输入数据（例如手写数字图像）
input_data = np.random.rand(1, 28 * 28).astype(np.float32)

# 填充输入数据
interpreter.set_tensor(input_details[0]['index'], input_data)

# 执行推理
interpreter.invoke()

# 获取输出结果
output_data = interpreter.get_tensor(output_details[0]['index'])
print("Predicted output:", output_data)

3. 如何在树莓派上运行 Tensorflow Lite 模型

在树莓派上运行 TensorFlow Lite (TFLite) 文件，你需要安装 TensorFlow Lite 运行时。这是一个轻量级的版本，专门为边缘设备优化，适合树莓派等资源受限的环境。以下是如何在树莓派上安装 TensorFlow Lite 运行时的步骤：

3.1. 安装 TensorFlow Lite 运行时

TensorFlow Lite 提供了专门为树莓派编译的二进制文件，可以直接通过 pip 安装。你需要确保树莓派上已经安装了 Python 3（建议使用 Python 3.7 或更高版本）。

1. 更新系统包：

   sudo apt-get update
   sudo apt-get upgrade

2. 安装 TensorFlow Lite 运行时：

   pip3 install tflite-runtime

   这将安装 TensorFlow Lite 运行时的轻量级版本，它只包含运行 TFLite 模型所需的必要组件。

3.2. 测试安装

安装完成后，你可以测试一下是否成功安装了 TensorFlow Lite 运行时。

import tflite_runtime.interpreter as tflite
print("TensorFlow Lite Runtime version:", tflite.__version__)

如果没有报错并打印出版本信息，就说明安装成功。

3.3. 运行 TFLite 模型

下面是一个在树莓派上运行 TFLite 模型的示例代码：

import numpy as np
import tflite_runtime.interpreter as tflite

# 加载 TFLite 模型
interpreter = tflite.Interpreter(model_path="your_model.tflite")
interpreter.allocate_tensors()

# 获取输入和输出张量的信息
input_details = interpreter.get_input_details()
output_details = interpreter.get_output_details()

# 创建一个模拟输入数据（例如 1x28x28 的 MNIST 图像）
input_shape = input_details[0]['shape']
input_data = np.random.rand(*input_shape).astype(np.float32)

# 填充输入数据
interpreter.set_tensor(input_details[0]['index'], input_data)

# 执行推理
interpreter.invoke()

# 获取输出结果
output_data = interpreter.get_tensor(output_details[0]['index'])
print("Predicted output:", output_data)