选自 Nvidia Blog
作者：Aaron Markham、贾扬清
机器之心编译
昨天，Facebook 推出了 Caffe2，一个兼具表现力、速度和模块性的开源深度学习框架。它沿袭了大量的 Caffe 设计，可解决多年来在 Caffe 的使用和部署之中发现的瓶颈问题。最终，Caffe2 打开了算法实验和新产品的大门。通过在内部用于各种深度学习和增强现实任务，Caffe2 已经在 Facebook 对于规模和性能的需求上得到了锻造。同时，它为移动端应用提供了令人印象深刻的新功能，例如高级相机和即时通讯功能。英伟达作为 Caffe2 的开发合作者，计划对 Caffe2 的深度学习应用推出一系列博客文章。本文即是该系列博文的第一篇，将介绍 Caffe2 的深度学习基础知识，证明其灵活性和速度；本文还将介绍为什么你想要使用 Caffe2、是什么使 Caffe2 区别于 Caffe，最后还会通过一个预训练的目标分类模型给出一个 Caffe2 使用案例。
一次编码，任意运行
在保有扩展性和高性能的同时，Caffe2 也强调了便携性。「便携性」通常使人想起 overhead——它如何在诸多不同的平台上工作？overhead 如何影响扩展的能力？Caffe2 当然已把这些考虑在内，其从一开始就以性能、扩展、移动端部署作为主要设计目标。Caffe2 的核心 C++ 库能提供速度和便携性，而其 Python 和 C++ API 使你可以轻松地在 Linux、Windows、iOS、Android 甚至 Raspberry Pi 和 NVIDIA Tegra 上进行原型设计、训练和部署。也许你会问：物联网呢？Caffe2 将适用于大量设备。尽管你并不想在物联网设备上训练网络，但你可以在其上面部署训练好的模型。
当 GPU 可用时，Caffe2 也不会错失这个良机。在 Facebook 和英伟达的合作下，Caffe2 已经可以充分利用英伟达 GPU 深度学习平台。Caffe2 可使用最新的英伟达深度学习 SDK 库——cuDNN、cuBLAS 和 NCCL——来实现高性能、多 GPU 加速训练和推理。
绝大多数内置函数都可根据运行状态在 CPU 模式和 GPU 模式之间无缝切换。这意味着无需额外编程即可享用深度学习超级加速的便利。这引出了 Caffe2 激动人心的另一个方面：多 GPU 和多主机处理。Caffe2 使并行化网络训练变得简单，现在实验和扩展对你而言也非常简单。
最近的 ImageNet 训练基准使用了 64 块最新的英伟达 GPU 和 ResNet-50 神经网络架构。Facebook 工程师实现的 Caffe2 的 data_parallel_model（https://github.com/caffe2/caffe2/blob/master/caffe2/python/data_parallel_model.py）能够在 Facebook 的 8 个 Big Basin 人工智能服务器（每个服务器配有 8 个英伟达 Tesla P100 GPU 加速器，8 个服务器共有 64 块 GPU）上进行分布式神经网络训练。图 1 是这些系统的扩展结果：近乎直线的深度学习训练扩展，带有 57 倍的吞吐量加速。
图 1: 通过 Resnet-50 模型在多达 64 个英伟达 Tesla P100 GPU 加速器上训练的 Caffe2 扩展系数
Caffe2 的新功能
你也许记得在 Caffe 中一切都表征为一个「网」（Net），它由「层」组成，这些层是以神经网络中心化方式来定义计算。然而，这创建了一种非常刚性的计算模式，并带来了很多硬编码例程，尤其在深度神经网络训练方面。
Caffe2 采用了更现代的计算图（computation graph）来表征神经网络或者包括集群通信和数据压缩在内的其它计算。这一计算图采用「算子」（operator）的概念：在给定输入的适当数量和类型以及参数的情况下，每个算子都包含了计算输所必需的逻辑。尽管 Caffe 中的层总是采用张量（矩阵或多维数组），但 Caffe2 中的算子可采用并产生包含随意对象的「blob」，这一设计使得很多过去在 Caffe 中不可实现的事情成为可能：
CNN 分布式训练可由单个计算图表征，不管是在一个或多个 GPU 还是在多台机器上训练。这对 Facebook 规模的深度学习应用很关键。
在专业硬件上轻松进行异构计算。例如，在 iOS 上，Caffe2 计算图可从 CPU 获取图像，将其转化为 Metal GPU 缓存对象，并将计算完全保留在 GPU 上，以获得最大吞吐量。
更好地管理运行时间资源，比如使用 memonger 优化静态内存，或者预打包训练网络以获得最佳性能。
float、float16、int8 混合精度和其他量化模型的计算。
Caffe2 有超过 400 个算子，具备广泛的功能。你可以浏览算子目录（http://caffe2.ai/docs/operators-catalogue.html）、查看稀疏操作（http://caffe2.ai/docs/sparse-operations.html）并学习如何编写自定义算子（http://caffe2.ai/docs/custom-operators.html）。
安装与设置
你要做的第一件事就是查看 Caffe2 的 GitHub 主页，clone 或 fork 该项目的 Github repo。
git clone https://github.com/caffe2/caffe2.git
如果你安装不了 Caffe2，你可以查看以下安装指南：http://caffe2.ai/docs/getting-started.html，尝试这个 Docker 镜像：https://hub.docker.com/r/caffe2ai/caffe2/，或者在你选择的云提供商上运行。其文档也为每个选项提供了指令。然而，我们建议你通过建立 GPU 支持的云实例，来验证 GPU 的处理速度。以下是使用 Docker 建立 GPU 支持的 Caffe2 的快速方式：
docker pull caffe2ai/caffe2 && docker run -it caffe2ai/caffe2:latest \
python -m caffe2.python.operator_test.relu_op_test
尝试一个预训练的模型
现在让我们实际上手试一试！在这第一个教程中，我会教你如何轻松使用 Caffe2 的 Model Zoo 和模型下载器（model downloader），以帮你自己动手实验一些其它模型。Model Zoo 链接：http://caffe2.ai/docs/zoo.html
使用 Caffe2 的模型下载器
这是一个下载模块（https://github.com/caffe2/caffe2/blob/master/caffe2/python/models/download.py），你可以使用它来获取预训练好的网络。你可以将该模块整合到你的脚本中，或者在命令行中使用它：
python -m caffe2.python.models.download
比如，这行命令可以下载 squeezenet 预训练模型：
python -m caffe2.python.models.download squeezenet
下载了 squeezenet 之后，你可以加载它。这个模型下载器模块有一个安装（install）选项，你可以使用 -i 开启。否则你就需要在下载文件后自己移动它。一旦安装完成，你也可以直接将这些模型导入到你的 Python 脚本：
python -m caffe2.python.models.download -i squeezenet
运行一个预训练模型：目标分类
让我们试试用 Caffe2 做一次目标分类。如果你已经下载了一个预训练模型，这做起来就很简单。如果你还没有下载 squeezenet，你可以使用上述方法下载，也可从 S3 下载 init_net.pb 和 predict_net.pb 文件。
init_net.pb：https://s3.amazonaws.com/caffe2/models/squeezenet/init_net.pb
predict_net.pb：https://s3.amazonaws.com/caffe2/models/squeezenet/predict_net.pb
将下载好的文件放到 $PYTHONPATH/caffe2/python/models/squeezenet 文件夹。你的 Python 代码需要 Caffe2 的 workspace 来存放该模型的 protobuf 负载和权重，并将它们加载到 blob、init_net 和 predict_net 中。你将需要 workspace.Predictor 来接收这两个 protobuf，然后剩下的就交给 Caffe2 处理了。Caffe2 有一个简单的 run 函数，可以输入图像并进行分析，然后返回一个带有结果的张量。
# load up the caffe2 workspace
from caffe2.python import workspace
# choose your model here (use the downloader first)
from caffe2.python.models import squeezenet as mynet
# helper image processing functions
import caffe2.python.tutorials.helpers as helpers
# load the pre-trained model
init_net = mynet.init_net
predict_net = mynet.predict_net
# you must name it something
predict_net.name = "squeezenet_predict"
workspace.RunNetOnce(init_net)
workspace.CreateNet(predict_net)
p = workspace.Predictor(init_net.SerializeToString(), predict_net.SerializeToString())
# use whatever image you want (local files or urls)
img =「https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7b/Orange-Whole-%26-Split.jpg/1200px-Orange-Whole-%26-Split.jpg」
img = "https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ac/Pretzel.jpg"
img = "https://cdn.pixabay.com/photo/2015/02/10/21/28/flower-631765_1280.jpg"
# average mean to subtract from the image
mean = 128
# the size of images that the model was trained with
input_size = 227
# use the image helper to load the image and convert it to NCHW
img = helpers.loadToNCHW(img, mean, input_size)
# submit the image to net and get a tensor of results
results = p.run([img])
response = helpers.parseResults(results)
# and lookup our result from the list
print response
该结果是一个概率的张量（一个多维数组）。本质上来看，每一行都表示了目标与神经网络所识别出的内容相匹配的几率。
注意，当该 workspace 的 Predictor 函数被调用来加载该预训练的模型时，下一步就是调用 .run 并给该函数传递一个图像数组。
p = workspace.Predictor(init_net, predict_net)
results = p.run([img])
图像预处理
为了更快的处理速度和传统上的原因，图像在被送入 Caffe2 之前还需要经过两步转换：
1. 将颜色从 RGB 转换成 BGR
2. 将图像封装成像素数组，并提供批（batch）中图像的数量（在这案例中是 1）、通道（按 BGR 排列的像素）的数量、高度和宽度，它们分别被称为：NCHW for Number、Channels、Height 和 Width。
这些图像预处理函数由一个助手模块（helper module）进行处理，所以你可以仅关注特定于 Caffe2 的交互。要更深入地了解图像预处理，请参阅相关 IPython 笔记：https://github.com/caffe2/caffe2/blob/master/caffe2/python/tutorials/Image_Pre-Processing_Pipeline.ipynb
获得结果
当模型完成图像数组的处理时，你会获得一个多维数组，其形式为（1, 1, 1000, 1, 1）
results = np.asarray(results)
print "results shape: ", results.shape
results shape: (1, 1, 1000, 1, 1)
看到 results.shape 中的那个 1000 了吗？如果该批中不止一张图片，那么这个数组就会更大，但在中间仍然有 1000 个单元。其存放了该预训练模型中每个类别的概率。所以当你查看结果时，就好像是在说：「计算机，这是一个铍（Beryllium）球的概率是多少？」还是说这是一只毒蜥或其它 998 种该模型被训练用来识别的类别。
这是一个从 1000 长度的张量中提取出的前 3 个结果，已经过收缩和排序。这些结果按照匹配的概率进行了排序，0.98222 (98%) 是最高的。
[array([985.0, 0.9822268486022949], dtype=object), array([309.0, 0.011943698860704899], dtype=object), array([946.0, 0.004810151644051075], dtype=object)]
这是按照概率排列的前三个类别，说明了被检测的目标属于某个类别的概率。你可以使用这个 gist 来查看结果：https://gist.githubusercontent.com/aaronmarkham/cd3a6b6ac071eca6f7b4a6e40e6038aa/raw/9edb4038a37da6b5a44c3b5bc52e448ff09bfe5b/alexnet_codes。每次你运行这个示例时，你都会得到有轻微差别的结果。运行一张有一些雏菊的图片，该模型会得到：
除了最高概率的正确答案之外，第二和第三分别是蜜蜂和刺棘蓟，鉴于蜜蜂常常和花出现在同一张照片中，所以这样的结果也有点道理。
输入一张切开的橘子照片，可以得到：橘子（95.3%）、柠檬（4.6%）、草莓（0.006%）。
Caffe2 的合作与共享
Caffe2 发展的基石是对深度学习感兴趣并使用过 Caffe 以及其它开源机器学习工具的开发者、研究人员和公司组成的社区。通过在 Caffe2 上的开源以及在 Model Zoo 上的创新协作，我们希望能够推进人工智能科学的进步，并促进各个产业的收益。Caffe2 开源项目的成员能直接在列举所有模型的 Caffe2 Github Wiki 页面做贡献：https://github.com/caffe2/caffe2/wiki。
我们也邀请了开发者、研究人员以及任何对创造或精调模型感兴趣的人在 Caffe2 GitHub 的「issue」页面进行分享：https://github.com/caffe2/caffe2/issues，也可以要求把问题添加到 Zoo 中。此外，Github 的「issue」部分不只是面向 Caffe2 的开发者。如果你创建 Caffe2 模型、改进预训练模型，甚至只是使用预训练模型，你也能在该部分对此资源和 Model Zoo 进行输入、建议与贡献。关于 Caffe2 和 Model Zoo 合作（http://caffe2.ai/docs/zoo.html）的进一步信息请移步 http://caffe2.ai。
在 GTC 大会上学习 Caffe2
这部分包含了我们第一篇 Parallel Forall 博客。接下来的一篇博客中我们将会深解如何使用 Caffe2 训练 ImageNet，在文章内我们会展示一些有关分布式训练的激动人心的新基准、在优化 Caffe 2 训练上的小建议以及如何使用 Caffe2 的数据并行模型的细节。
此外 5 月 8 日 - 11 日在圣何塞市举办的 GTC 大会是每年一度的人工智能与 GPU 开发者大会，机器之心作为受邀媒体将会对此大会的精彩内容进行报道。
原文链接：https://devblogs.nvidia.com/parallelforall/caffe2-deep-learning-framework-facebook/
本文为机器之心原创，转载请联系本公众号获得授权。
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