在Caffe中实现模型融合

模型融合

有的时候我们手头可能有了若干个已经训练好的模型，这些模型可能是同样的结构，也可能是不同的结构，训练模型的数据可能是同一批，也可能不同。无论是出于要通过ensemble提升性能的目的，还是要设计特殊作用的网络，在用Caffe做工程时，融合都是一个常见的步骤。
比如考虑下面的场景，我们有两个模型，都是基于resnet-101，分别在两拨数据上训练出来的。我们希望把这两个模型的倒数第二层拿出来，接一个fc层然后训练这个fc层进行融合。那么有两个问题需要解决：1）两个模型中的层的名字都是相同的，但是不同模型对应的权重不同；2）如何同时在一个融合好的模型中把两个训练好的权重都读取进来。
Caffe中并没有直接用于融合的官方工具，本文介绍一个简单有效的土办法，用融合模型进行ensemble的例子，一步步实现模型融合。

完整例子

模型定义和脚本：
https://github.com/frombeijingwithlove/dlcv_for_beginners/tree/master/random_bonus/multiple_models_fusion_caffe
预训练模型：
https://github.com/frombeijingwithlove/dlcv_book_pretrained_caffe_models/blob/master/mnist_lenet_odd_iter_30000.caffemodel
https://github.com/frombeijingwithlove/dlcv_book_pretrained_caffe_models/blob/master/mnist_lenet_even_iter_30000.caffemodel
虽然模型只是简单的LeNet-5，但是方法是可以拓展到其他大模型上的。

模型(及数据)准备：直接采用预训练好的模型

本文的例子要融合的是两个不同任务的模型：
对偶数0, 2, 4, 6, 8分类的模型
对奇数1, 3, 5, 7, 9分类的模型
采用的网络都是LeNet-5
直接从上节中提到的本文例子的repo下载预定义的模型和权重。
上一部分第一个链接中已经写好了用来训练的LeNet-5结构和solver，用的是ImageData层，以训练奇数分类的模型为例：

name: "LeNet"
layer {
  name: "mnist"
  type: "ImageData"
  top: "data"
  top: "label"
  include {
    phase: TRAIN
  }
  transform_param {
    mean_value: 128
    scale: 0.00390625
  }
  image_data_param {
    source: "train_odd.txt"
    is_color: false
    batch_size: 25
  }
}
layer {
  name: "mnist"
  type: "ImageData"
  top: "data"
  top: "label"
  include {
    phase: TEST
  }
  transform_param {
    mean_value: 128
    scale: 0.00390625
  }
  image_data_param {
    source: "val_odd.txt"
    is_color: false
    batch_size: 20
  }
}
layer {
  name: "conv1"
  type: "Convolution"
  bottom: "data"
  top: "conv1"
  param {
    lr_mult: 1
  }
  param {
    lr_mult: 2
  }
  convolution_param {
    num_output: 20
    kernel_size: 5
    stride: 1
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "pool1"
  type: "Pooling"
  bottom: "conv1"
  top: "pool1"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}
layer {
  name: "conv2"
  type: "Convolution"
  bottom: "pool1"
  top: "conv2"
  param {
    lr_mult: 1
  }
  param {
    lr_mult: 2
  }
  convolution_param {
    num_output: 50
    kernel_size: 5
    stride: 1
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "pool2"
  type: "Pooling"
  bottom: "conv2"
  top: "pool2"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}
layer {
  name: "ip1"
  type: "InnerProduct"
  bottom: "pool2"
  top: "ip1"
  param {
    lr_mult: 1
  }
  param {
    lr_mult: 2
  }
  inner_product_param {
    num_output: 500
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "relu1"
  type: "ReLU"
  bottom: "ip1"
  top: "ip1"
}
layer {
  name: "ip2"
  type: "InnerProduct"
  bottom: "ip1"
  top: "ip2"
  param {
    lr_mult: 1
  }
  param {
    lr_mult: 2
  }
  inner_product_param {
    num_output: 5
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "accuracy"
  type: "Accuracy"
  bottom: "ip2"
  bottom: "label"
  top: "accuracy"
  include {
    phase: TEST
  }
}
layer {
  name: "loss"
  type: "SoftmaxWithLoss"
  bottom: "ip2"
  bottom: "label"
  top: "loss"
}

训练偶数分类的prototxt的唯一区别就是ImageData层中数据的来源不一样。

模型(及数据)准备：Start From Scratch

当然也可以自行训练这两个模型，毕竟只是个用于演示的小例子，很简单。方法如下：

第一步 下载MNIST数据

直接运行download_mnist.sh这个脚本

第二步 转换MNIST数据为图片

运行convert_mnist.py，可以从mnist.pkl.gz中提取所有图片为jpg

import os
import pickle, gzip
from matplotlib import pyplot

# Load the dataset
print('Loading data from mnist.pkl.gz ...')
with gzip.open('mnist.pkl.gz', 'rb') as f:
    train_set, valid_set, test_set = pickle.load(f)

imgs_dir = 'mnist'
os.system('mkdir -p {}'.format(imgs_dir))
datasets = {'train': train_set, 'val': valid_set, 'test': test_set}
for dataname, dataset in datasets.items():
    print('Converting {} dataset ...'.format(dataname))
    data_dir = os.sep.join([imgs_dir, dataname])
    os.system('mkdir -p {}'.format(data_dir))
    for i, (img, label) in enumerate(zip(*dataset)):
        filename = '{:0>6d}_{}.jpg'.format(i, label)
        filepath = os.sep.join([data_dir, filename])
        img = img.reshape((28, 28))
        pyplot.imsave(filepath, img, cmap='gray')
        if (i+1) % 10000 == 0:
            print('{} images converted!'.format(i+1))

第三步 生成奇数、偶数和全部数据的列表

运行gen_img_list.py，可以分别生成奇数、偶数和全部数据的训练及验证列表：

import os
import sys

mnist_path = 'mnist'
data_sets = ['train', 'val']

for data_set in data_sets:
    odd_list = '{}_odd.txt'.format(data_set)
    even_list = '{}_even.txt'.format(data_set)
    all_list = '{}_all.txt'.format(data_set)
    root = os.sep.join([mnist_path, data_set])
    filenames = os.listdir(root)
    with open(odd_list, 'w') as f_odd, open(even_list, 'w') as f_even, open(all_list, 'w') as f_all:
        for filename in filenames:
            filepath = os.sep.join([root, filename])
            label = int(filename[:filename.rfind('.')].split('_')[1])
            line = '{} {}\n'.format(filepath, label)
            f_all.write(line)

            line = '{} {}\n'.format(filepath, int(label/2))
            if label % 2:
                f_odd.write(line)
            else:
                f_even.write(line)

第四步 训练两个不同的模型

就直接训练就行了。Solver的例子如下：

net: "lenet_odd_train_val.prototxt"
test_iter: 253
test_initialization: false
test_interval: 1000
base_lr: 0.01
momentum: 0.9
weight_decay: 0.0005
lr_policy: "step"
gamma: 0.707
stepsize: 1000
display: 200
max_iter: 30000
snapshot: 30000
snapshot_prefix: "mnist_lenet_odd"
solver_mode: GPU

注意到test_iter是个奇怪的253，这是因为MNIST的验证集中奇数样本多一些，一共是5060个，训练随便取个30个epoch，应该是够了。

制作融合后模型的网络定义

前面提到了模型融合的难题之一在于层的名字可能是相同的，解决这个问题非常简单，只要把名字改成不同就可以，加个前缀就行。按照这个思路，我们给奇数分类和偶数分类的模型的每层前分别加上odd/和even/作为前缀，同时我们给每层的学习率置为0，这样融合的时候就可以只训练融合的全连接层就可以了。实现就是用Python自带的正则表达式匹配，然后进行字符串替换，代码就是第一部分第一个链接中的rename_n_freeze_layers.py：

import sys
import re

layer_name_regex = re.compile('name:\s*"(.*?)"')
lr_mult_regex = re.compile('lr_mult:\s*\d+\.*\d*')

input_filepath = sys.argv[1]
output_filepath = sys.argv[2]
prefix = sys.argv[3]

with open(input_filepath, 'r') as fr, open(output_filepath, 'w') as fw:
    prototxt = fr.read()
    layer_names = set(layer_name_regex.findall(prototxt))
    for layer_name in layer_names:
        prototxt = prototxt.replace(layer_name, '{}/{}'.format(prefix, layer_name))

    lr_mult_statements = set(lr_mult_regex.findall(prototxt))
    for lr_mult_statement in lr_mult_statements:
        prototxt = prototxt.replace(lr_mult_statement, 'lr_mult: 0')

    fw.write(prototxt)

这个方法虽然土，不过有效，另外需要注意的是如果确定不需要动最后一层以外的参数，或者原始的训练prototxt中就没有lr_mult的话，可以考虑用Caffe的propagate_down这个参数。把这个脚本分别对奇数和偶数模型执行，并记住自己设定的前缀even和odd，然后把数据层到ip1层的定义复制并粘贴到一个文件中，然后把ImageData层和融合层的定义也写入到这个文件，注意融合前需要先用Concat层把特征拼接一下：

name: "LeNet"
layer {
  name: "mnist"
  type: "ImageData"
  top: "data"
  top: "label"
  include {
    phase: TRAIN
  }
  transform_param {
    mean_value: 128
    scale: 0.00390625
  }
  image_data_param {
    source: "train_all.txt"
    is_color: false
    batch_size: 50
  }
}
layer {
  name: "mnist"
  type: "ImageData"
  top: "data"
  top: "label"
  include {
    phase: TEST
  }
  transform_param {
    mean_value: 128
    scale: 0.00390625
  }
  image_data_param {
    source: "val_all.txt"
    is_color: false
    batch_size: 20
  }
}
...
### rename_n_freeze_layers.py 生成的网络结构部分 ###
...
layer {
  name: "concat"
  bottom: "odd/ip1"
  bottom: "even/ip1"
  top: "ip1_fused"
  type: "Concat"
  concat_param {
    axis: 1
  }
}
layer {
  name: "ip2"
  type: "InnerProduct"
  bottom: "ip1_fused"
  top: "ip2"
  param {
    lr_mult: 1
  }
  param {
    lr_mult: 2
  }
  inner_product_param {
    num_output: 10
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "accuracy"
  type: "Accuracy"
  bottom: "ip2"
  bottom: "label"
  top: "accuracy"
  include {
    phase: TEST
  }
}
layer {
  name: "loss"
  type: "SoftmaxWithLoss"
  bottom: "ip2"
  bottom: "label"
  top: "loss"
}

分别读取每个模型的权重并生成融合模型的权重

这个思路就是用pycaffe进行读取，然后按照层名字的对应关系进行值拷贝，最后再存一下就可以，代码如下：

import sys
sys.path.append('/path/to/caffe/python')
import caffe

fusion_net = caffe.Net('lenet_fusion_train_val.prototxt', caffe.TEST)

model_list = [
    ('even', 'lenet_even_train_val.prototxt', 'mnist_lenet_even_iter_30000.caffemodel'),
    ('odd', 'lenet_odd_train_val.prototxt', 'mnist_lenet_odd_iter_30000.caffemodel')
]

for prefix, model_def, model_weight in model_list:
    net = caffe.Net(model_def, model_weight, caffe.TEST)

    for layer_name, param in net.params.iteritems():
        n_params = len(param)
        try:
            for i in range(n_params):
                net.params['{}/{}'.format(prefix, layer_name)][i].data[...] = param[i].data[...]
        except Exception as e:
            print(e)

fusion_net.save('init_fusion.caffemodel')

训练融合后的模型

这个也没什么好说的了，直接训练即可，本文例子的参考Solver如下：

net: "lenet_fusion_train_val.prototxt"
test_iter: 500
test_initialization: false
test_interval: 1000
base_lr: 0.01
momentum: 0.9
weight_decay: 0.0005
lr_policy: "step"
gamma: 0.707
stepsize: 1000
display: 200
max_iter: 30000
snapshot: 30000
snapshot_prefix: "mnist_lenet_fused"
solver_mode: GPU