概述
本文参考官方的java使用TensorFlow库的例子，将深度学习模型保存成pb文件，在java环境中加载模型并做预测。
环境安装
安装pip
yum -y install epel-release
yum install python-pip
pip install --upgrade pip
安装TensorFlow、Keras、numpy
pip install tensorflow //安装的是最新的tensorflow2.1版本
pip install keras
pip install numpy
Maven配置
在pom.xml中增加如下配置，加载java的tensorflow库
<dependency>
<groupId>org.tensorflow</groupId>
<artifactId>tensorflow</artifactId>
<version>1.15.0</version>
</dependency>
加载模型
InputStream inputStream = ImageRecognize.class.getResourceAsStream(MODEL_PATH);
Graph graph = new Graph();
graph.importGraphDef(IOUtils.toByteArray(inputStream));
Session session = new Session(graph);
其中graph和session都是线程安全的，可以使用单例，不需要每次请求都重新加载模型和Session。
图片预处理
我们使用的是Xception模型，它要求输入的图片大小是480 * 480 * 3，并且需要对图片做预处理，每个rgb值归一化到[-1,1]区间。下面我们介绍两种预处理的方式：
BufferedImage预处理
BufferedImage bufferedImage = new BufferedImage(480, 480, BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
Graphics graphics = bufferedImage.getGraphics();
InputStream in = new ByteArrayInputStream(imageData);
Image srcImage = ImageIO.read(in);
graphics.drawImage(srcImage, 0, 0, 480, 480, null); //将图片大小转换为480*480
int w = bufferedImage.getWidth();
int h = bufferedImage.getHeight();
float[][][][] imgTensor = new float[1][h][w][3];
for (int i = 0; i < h; i++) {
for (int j = 0; j < w; j++) {
int pixel = bufferedImage.getRGB(j, i); // 下面三行代码将一个数字转换为RGB数字，同时归一化到[-1,1]区间
imgTensor[0][i][j][0] = (float) ((pixel & 0xff0000) >> 16) / 127.5f - 1;
imgTensor[0][i][j][1] = (float) ((pixel & 0xff00) >> 8) / 127.5f - 1;
imgTensor[0][i][j][2] = (float) ((pixel & 0xff)) / 127.5f - 1;
}
}
return Tensors.create(imgTensor);
TensorFlow预处理
TensorFlow的预处理参考了LabelImage.java调用方式，它是使用TensorFlow Graph的一些预定义好的Operator来对图片做预处理。
private Tensor<Float> getImageTensor(byte[] imageBytes){
Graph g = new Graph();
GraphBuilder b = new GraphBuilder(g);
final int H = IMAGE_HEIGTH;
final int W = IMAGE_WIDTH;
final float mean = 1f;
final float scale = 127.5f;
final Output<String> input = b.constant("input", imageBytes);
final Output<Float> output =
b.sub(
b.div(
b.resizeBilinear(
b.expandDims(
b.cast(b.decodeJpeg(input, 3), Float.class), //解析jpeg文件
b.constant("make_batch", 0) //扩展成4维Tensor
),
b.constant("size", new int[]{H, W}) //resize图片成[H,W]大小
),
b.constant("scale", scale) //每个值除以127.5f
),
b.constant("mean", mean) //归一化到[-1,1]区间
);
try (Session s = new Session(g)) {
// Generally, there may be multiple output tensors, all of them must be closed to prevent resource leaks.
return s.runner().fetch(output.op().name()).run().get(0).expect(Float.class);
}
}
static class GraphBuilder {
GraphBuilder(Graph g) {
this.g = g;
}
Output<Float> div(Output<Float> x, Output<Float> y) {
return binaryOp("Div", x, y);
}
<T> Output<T> sub(Output<T> x, Output<T> y) {
return binaryOp("Sub", x, y);
}
<T> Output<Float> resizeBilinear(Output<T> images, Output<Integer> size) {
return binaryOp3("ResizeBilinear", images, size);
}
<T> Output<T> expandDims(Output<T> input, Output<Integer> dim) {
return binaryOp3("ExpandDims", input, dim);
}
<T, U> Output<U> cast(Output<T> value, Class<U> type) {
DataType dtype = DataType.fromClass(type);
return g.opBuilder("Cast", "Cast")
.addInput(value)
.setAttr("DstT", dtype)
.build()
.<U>output(0);
}
Output<UInt8> decodeJpeg(Output<String> contents, long channels) {
return g.opBuilder("DecodeJpeg", "DecodeJpeg")
.addInput(contents)
.setAttr("channels", channels)
.build()
.<UInt8>output(0);
}
<T> Output<T> constant(String name, Object value, Class<T> type) {
try (Tensor<T> t = Tensor.<T>create(value, type)) {
return g.opBuilder("Const", name)
.setAttr("dtype", DataType.fromClass(type))
.setAttr("value", t)
.build()
.<T>output(0);
}
}
Output<String> constant(String name, byte[] value) {
return this.constant(name, value, String.class);
}
Output<Integer> constant(String name, int value) {
return this.constant(name, value, Integer.class);
}
Output<Integer> constant(String name, int[] value) {
return this.constant(name, value, Integer.class);
}
Output<Float> constant(String name, float value) {
return this.constant(name, value, Float.class);
}
private <T> Output<T> binaryOp(String type, Output<T> in1, Output<T> in2) {
return g.opBuilder(type, type).addInput(in1).addInput(in2).build().<T>output(0);
}
private <T, U, V> Output<T> binaryOp3(String type, Output<U> in1, Output<V> in2) {
return g.opBuilder(type, type).addInput(in1).addInput(in2).build().<T>output(0);
}
private Graph g;
}
上面两种方式都做了尝试，我们是原始图片大小为640 * 640，机器是2.4GHz的CPU机器（没有用GPU），第一种预处理方法平均耗时在200ms左右，第二种预处理方法耗时为30ms左右，主要原因为TensorFlow内部对矩阵运算会做优化，而第一种方法手写的循环效率不高。后续会再测一下在GPU环境下的耗时。
模型预测
我们的xception模型中，输入节点的名字为input_1，输出节点的名字为output，对应着代码里的名字，需要完全一致。
float result = -1;
input = getImageTensor1(imageData);
if ( input == null ) {
return result;
}
List<Tensor<?>> results = session.runner().feed("input_1", input).fetch("output").run();
if (results.size() > 0 && results.get(0).shape().length == 2) {
long[] rshape = results.get(0).shape();
int rs = (int) rshape[0];
int rt = (int) rshape[1];
float realResult[][] = new float[rs][rt];
results.get(0).copyTo(realResult);
for (int i = 0; i < rs; i++) {
for (int j = 0; j < rt; j++) {
result = realResult[i][j];
break;
}
}
}
线上部署
线上使用时候，有一个线程不断的从HDFS中检查并读取最新的模型。一旦模型有更新，则加载新模型替换旧模型。
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