向 keras 模型添加预处理层并设置张量值

Question

如何最好地向 keras (v2.0.5) 模型添加预处理层（例如，减去均值并除以标准差），以使模型完全自包含以进行部署（可能在 C++ 环境中）。我试过了：

    def getmodel():
       model = Sequential()
       mean_tensor = K.placeholder(shape=(1,1,3), name="mean_tensor")
       std_tensor = K.placeholder(shape=(1,1,3), name="std_tensor")

       preproc_layer = Lambda(lambda x: (x - mean_tensor) / (std_tensor + K.epsilon()),
                              input_shape=im_shape)

       model.add(preproc_layer)

       # Build the remaining model, perhaps set weights,
       ...

       return model

然后，在其他地方设置模型的均值/标准差。我找到了set_value 函数，所以尝试了以下方法：

m = getmodel()
mean, std = get_mean_std(..)

graph = K.get_session().graph
mean_tensor = graph.get_tensor_by_name("mean_tensor:0")
std_tensor = graph.get_tensor_by_name("std_tensor:0")

K.set_value(mean_tensor, mean)
K.set_value(std_tensor, std)

但是set_value 失败了

AttributeError: 'Tensor' object has no attribute 'assign'

所以set_value 不像（有限的）文档所建议的那样工作。这样做的正确方法是什么？获取 TF 会话，将所有训练代码包装在 with (session) 中并使用 feed_dict？我原以为会有一种原生的 keras 方式来设置张量值。

我没有使用占位符，而是尝试使用 K.variable 或 K.constant 设置模型构造的均值/标准：

mean_tensor = K.variable(mean, name="mean_tensor")
std_tensor = K.variable(std, name="std_tensor")

这避免了任何set_value 问题。尽管我注意到如果我尝试训练该模型（我知道这不是特别有效，因为您正在为每个图像重新进行标准化）它可以工作，但在第一个时期结束时，ModelCheckpoint 处理程序以非常深度堆栈跟踪：

...
File "/Users/dgorissen/Library/Python/2.7/lib/python/site-packages/keras/models.py", line 102, in save_model
  'config': model.get_config()
File "/Users/dgorissen/Library/Python/2.7/lib/python/site-packages/keras/models.py", line 1193, in get_config
  return copy.deepcopy(config)
File "/usr/local/Cellar/python/2.7.12_2/Frameworks/Python.framework/Versions/2.7/lib/python2.7/copy.py", line 163, in deepcopy
  y = copier(x, memo)
...
File "/usr/local/Cellar/python/2.7.12_2/Frameworks/Python.framework/Versions/2.7/lib/python2.7/copy.py", line 190, in deepcopy
  y = _reconstruct(x, rv, 1, memo)
File "/usr/local/Cellar/python/2.7.12_2/Frameworks/Python.framework/Versions/2.7/lib/python2.7/copy.py", line 343, in _reconstruct
  y.__dict__.update(state)
AttributeError: 'NoneType' object has no attribute 'update'

更新 1：

我也尝试了不同的方法。像往常一样训练一个模型，然后在前面添加一个进行预处理的模型：

# Regular model, trained as usual
model = ...

# Preprocessing model
preproc_model = Sequential()
mean_tensor = K.constant(mean, name="mean_tensor")
std_tensor = K.constant(std, name="std_tensor")
preproc_layer = Lambda(lambda x: (x - mean_tensor) / (std_tensor + K.epsilon()),
                       input_shape=im_shape, name="normalisation")
preproc_model.add(preproc_layer)

# Prepend the preprocessing model to the regular model    
full_model = Model(inputs=[preproc_model.input],
              outputs=[model(preproc_model.output)])

# Save the complete model to disk
full_model.save('full_model.hdf5')

这似乎一直有效，直到 save() 调用失败，并出现与上述相同的深度堆栈跟踪。 也许Lambda 层是问题所在，但从this issue 来看，它似乎应该正确序列化。

总的来说，我如何在不影响序列化（和导出到 pb）能力的情况下将规范化层附加到 keras 模型？

我相信你可以通过直接下拉到 TF 来让它工作（例如this thread，或使用tf.Transform），但我认为它可以直接在 keras 中使用。

更新 2：

所以我发现可以通过这样做来避免深度堆栈跟踪

def foo(x):
    bar = K.variable(baz, name="baz")
    return x - bar

因此在函数内部定义bar，而不是从外部范围捕获。

然后我发现我可以保存到磁盘但无法从磁盘加载。围绕这个有一套 github 问题。我使用#5396 中指定的解决方法将所有变量作为参数传递，然后允许我保存和加载。

以为我快到了，我继续使用上述更新 1 中的方法，将预处理模型堆叠在经过训练的模型前面。 这导致了Model is not compiled 错误。解决了这些问题，但最终我从未设法使以下工作：

• 构建和训练模型
• 将其保存到磁盘
• 加载它，添加预处理模型
• 将堆叠模型作为冻结的 pb 文件导出到磁盘
• 从磁盘加载冻结的 pb
• 将其应用于一些看不见的数据

我做到了没有错误的地步，但无法让归一化张量传播到冻结的 pb。在这上面花了太多时间后，我放弃了，转而使用不太优雅的方法：

• 从一开始就使用模型中的预处理操作构建模型，但设置为无操作（mean=0，std=1）
• 训练模型，构建一个相同的模型，但这次使用正确的平均值/标准值。
• 转移权重
• 将模型导出并冻结到 pb

所有这些现在都可以按预期工作了。训练开销很小，但对我来说可以忽略不计。

仍然无法弄清楚如何在 keras 中设置张量变量的值（不引发 assign 异常），但现在可以不用它。

会接受@Daniel 的回答，因为它让我朝着正确的方向前进。

相关问题：

• Add Tensorflow pre-processing to existing Keras model (for use in Tensorflow Serving)

Answer 1

创建变量时，必须给它“值”，而不是形状：

mean_tensor = K.variable(mean, name="mean_tensor")
std_tensor = K.variable(std, name="std_tensor")

现在，在 Keras 中，您不必处理会话、图形和类似的事情。您只使用层，而在 Lambda 层（或损失函数）内部，您可以使用张量。

对于我们的 Lambda 层，我们需要一个更复杂的函数，因为在您进行计算之前形状必须匹配。因为我不知道im_shape，所以我猜它有 3 个维度：

def myFunc(x):

    #reshape x in a way it's compatible with the tensors mean and std:
    x = K.reshape(x,(-1,1,1,3)) 
        #-1 is like a wildcard, it will be the value that matches the rest of the given shape.     
        #I chose (1,1,3) because it's the same shape of mean_tensor and std_tensor

    result = (x - mean_tensor) / (std_tensor + K.epsilon())

    #now shape it back to the same shape it was before (which I don't know)    
    return K.reshape(result,(-1,im_shape[0], im_shape[1], im_shape[2]))
        #-1 is still necessary, it's the batch size

现在我们创建 Lambda 层，考虑到它还需要一个输出形状（由于您的自定义操作，系统不一定知道输出形状）

model.add(Lambda(myFunc,input_shape=im_shape, output_shape=im_shape))

在此之后，只需编译模型并训练它。 （经常使用model.compile(...) 和model.fit(...)）

---

如果你想包含所有内容，包括函数内部的预处理，也可以：

def myFunc(x):

    mean_tensor = K.mean(x,axis=[0,1,2]) #considering shapes of (size,width, heigth,channels)    
    std_tensor = K.std(x,axis=[0,1,2])

    x = K.reshape(x, (-1,3)) #shapes of mean and std are (3,) here.    
    result = (x - mean_tensor) / (std_tensor + K.epsilon())

    return K.reshape(result,(-1,width,height,3))

---

现在，所有这些都是模型中的额外计算，并且会消耗处理。 最好只做模型之外的所有事情。首先创建预处理数据并存储，然后创建没有此预处理层的模型。这样你就可以得到一个更快的模型。 （如果您的数据或模型太大，这可能很重要）。