Keras vs PyTorch vs Caffe：CNN实现对比

作者|PRUDHVI VARMA 编译|VK 来源|Analytics Indiamag

在当今世界，人工智能已被大多数商业运作所应用，而且由于先进的深度学习框架，它非常容易部署。这些深度学习框架提供了高级编程接口，帮助我们设计深度学习模型。使用深度学习框架，它通过提供内置的库函数来减少开发人员的工作，从而使我们能够更快更容易地构建模型。

在本文中，我们将构建相同的深度学习框架，即在Keras、PyTorch和Caffe中对同一数据集进行卷积神经网络图像分类，并对所有这些方法的实现进行比较。最后，我们将看到PyTorch构建的CNN模型如何优于内置Keras和Caffe的同行。

本文涉及的主题

如何选择深度学习框架。
Keras的优缺点
PyTorch的优缺点
Caffe的优缺点
在Keras、PyTorch和Caffe实现CNN模型。

选择深度学习框架

在选择深度学习框架时，有一些指标可以找到最好的框架，它应该提供并行计算、良好的运行模型的接口、大量内置的包，它应该优化性能，同时也要考虑我们的业务问题和灵活性，这些是我们在选择深度学习框架之前要考虑的基本问题。让我们比较三个最常用的深度学习框架Keras、Pytorch和Caffe。

Keras

Keras是一个开源框架，由Google工程师Francois Chollet开发，它是一个深度学习框架，我们只需编写几行代码，就可以轻松地使用和评估我们的模型。

如果你不熟悉深度学习，Keras是初学者最好的入门框架，Keras对初学者十分友好，并且易于与python一起工作，并且它有许多预训练模型（VGG、Inception等）。不仅易于学习，而且它支持Tensorflow作为后端。

使用Keras的局限性

Keras需要改进一些特性
我们需要牺牲速度来换取它的用户友好性
有时甚至使用gpu也需要很长时间。

使用Keras框架的实际实现

在下面的代码片段中，我们将导入所需的库。

import keras
from keras.datasets import mnist
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, Dropout, Flatten
from keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D
from keras import backend as K

超参数：

batch_size = 128
num_classes = 10
epochs = 12
img_rows, img_cols = 28, 28
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()

在下面的代码片段中，我们将构建一个深度学习模型，其中包含几个层，并分配优化器、激活函数和损失函数。

model = Sequential()
model.add(Conv2D(32, kernel_size=(3, 3),activation='relu',input_shape=input_shape))
model.add(Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model.add(Dropout(0.25))
model.add(Flatten())
model.add(Dense(128, activation='relu'))
model.add(Dropout(0.5))
model.add(Dense(num_classes, activation='softmax'))
model.compile(loss=keras.losses.categorical_crossentropy,optimizer=keras.optimizers.Adam(),metrics=['accuracy'])

在下面的代码片段中，我们将训练和评估模型。

model.fit(x_train, y_train,batch_size=batch_size,epochs=epochs,verbose=1,validation_data=(x_test, y_test))
score = model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0)
print('Test loss:', score[0])
print('Test accuracy:', score[1])

PyTorch

PyTorch是一个由Facebook研究团队开发的开源框架，它是深度学习模型的一种实现，它提供了python环境提供的所有服务和功能，它允许自动微分，有助于加速反向传播过程，PyTorch提供了各种模块，如torchvision，torchaudio，torchtext，可以灵活地在NLP中工作，计算机视觉。PyTorch对于研究人员比开发人员更灵活。

PyTorch的局限性

PyTorch在研究人员中比在开发人员中更受欢迎。
它缺乏生产力。

使用PyTorch框架实现

安装所需的库

import numpy as np
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.utils.data.dataloader as dataloader
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import TensorDataset
from torchvision import transforms
from torchvision.datasets import MNIST

在下面的代码片段中，我们将加载数据集并将其拆分为训练集和测试集。

train = MNIST('./data', train=True, download=True, transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
]), )
test = MNIST('./data', train=False, download=True, transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),
]), )
dataloader_args = dict(shuffle=True, batch_size=64,num_workers=1, pin_memory=True)
train_loader = dataloader.DataLoader(train, **dataloader_args)
test_loader = dataloader.DataLoader(test, **dataloader_args)
train_data = train.train_data
train_data = train.transform(train_data.numpy())

在下面的代码片段中，我们将构建我们的模型，并设置激活函数和优化器。

class Model(nn.Module):def __init__(self):super(Model, self).__init__()self.fc1 = nn.Linear(784, 548)self.bc1 = nn.BatchNorm1d(548) self.fc2 = nn.Linear(548, 252)self.bc2 = nn.BatchNorm1d(252)self.fc3 = nn.Linear(252, 10)              def forward(self, x):a = x.view((-1, 784))b = self.fc1(a)b = self.bc1(b)b = F.relu(b)b = F.dropout(b, p=0.5) b = self.fc2(b)b = self.bc2(b)b = F.relu(b)b = F.dropout(b, p=0.2)b = self.fc3(b)out = F.log_softmax(b)return out
model = Model()
model.cuda()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.001)

在下面的代码片段中，我们将训练我们的模型，在训练时，我们将指定损失函数，即交叉熵。

model.train()
losses = []
for epoch in range(12):for batch_idx, (data,data_1) in enumerate(train_loader):data,data_1 = Variable(data.cuda()), Variable(target.cuda())optimizer.zero_grad()y_pred = model(data) loss = F.cross_entropy(y_pred, target)losses.append(loss.data[0])loss.backward()optimizer.step()if batch_idx % 100 == 1:print('\r Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(epoch, batch_idx * len(data), len(train_loader.dataset), 100. * batch_idx / len(train_loader),loss.data[0]), end='')         print()

#评估模型evaluate=Variable(test_loader.dataset.test_data.type_as(torch.FloatTensor())).cuda()
output = model(evaluate)
predict = output.data.max(1)[1]
pred = pred.eq(evaluate.data)
accuracy = pred.sum()/pred.size()[0]
print('Accuracy:', accuracy)

Caffe

Caffe（Convolutional Architecture for Fast Feature Embedding）是Yangqing Jia开发的开源深度学习框架。该框架支持人工智能领域的研究人员和工业应用。

大部分开发者使用Caffe是因为它的速度，它使用一个NVIDIA K40 GPU每天可以处理6000万张图像。Caffe有很多贡献者来更新和维护框架，而且与深度学习的其他领域相比，Caffe在计算机视觉模型方面工作得很好。

Caffe的局限性

Caffe没有更高级别的API，所以很难做实验。

在Caffe中，为了部署我们的模型，我们需要编译源代码。

安装Caffe

!apt install -y caffe-tools-cpu

导入所需的库

import os
import numpy as np
import math
import caffe
import lmdb

在下面的代码片段中，我们将指定硬件环境。

os.environ["GLOG_minloglevel"] = '2'
CAFFE_ROOT="/caffe"
os.chdir(CAFFE_ROOT)
USE_GPU = True
if USE_GPU:caffe.set_device(0)caffe.set_mode_gpu()
else:caffe.set_mode_cpu()
caffe.set_random_seed(1)
np.random.seed(24)

在下面的代码片段中，我们将定义有助于数据转换的image_generator和batch_generator 。

def image_generator(db_path):db_handle = lmdb.open(db_path, readonly=True) with db_handle.begin() as db:cur = db.cursor() for _, value in cur: datum = caffe.proto.caffe_pb2.Datum()datum.ParseFromString(value) int_x = caffe.io.datum_to_array(datum) x = np.asfarray(int_x, dtype=np.float32) tyield x - 128 def batch_generator(shape, db_path):gen = image_generator(db_path)res = np.zeros(shape) while True: for i in range(shape[0]):res[i] = next(gen) yield res

在下面的代码片段中，我们将给出MNIST数据集的路径。

num_epochs = 0
iter_num = 0
db_path = "content/mnist/mnist_train_lmdb"
db_path_test = "content/mnist/mnist_test_lmdb"
base_lr = 0.01
gamma = 1e-4
power = 0.75for epoch in range(num_epochs):print("Starting epoch {}".format(epoch))input_shape = net.blobs["data"].data.shapefor batch in batch_generator(input_shape, db_path):iter_num += 1net.blobs["data"].data[...] = batchnet.forward()for name, l in zip(net._layer_names, net.layers):for b in l.blobs:b.diff[...] = net.blob_loss_weights[name]net.backward()learning_rate = base_lr * math.pow(1 + gamma * iter_num, - power)for l in net.layers:for b in l.blobs:b.data[...] -= learning_rate * b.diffif iter_num % 50 == 0:print("Iter {}: loss={}".format(iter_num, net.blobs["loss"].data))if iter_num % 200 == 0:print("Testing network: accuracy={}, loss={}".format(*test_network(test_net, db_path_test)))

使用下面的代码片段，我们将获得最终的准确性。

print("Training finished after {} iterations".format(iter_num))
print("Final performance: accuracy={}, loss={}".format(*test_network(test_net, db_path_test)))

结论

在本文中，我们演示了使用三个著名框架：Keras、PyTorch和Caffe实现CNN图像分类模型的。我们可以看到，PyTorch开发的CNN模型在精确度和速度方面都优于在Keras和Caffe开发的CNN模型。

作为一个初学者，我一开始使用Keras，这对于初学者是一个非常简单的框架，但它的应用是有限的。但是PyTorch和Caffe在速度、优化和并行计算方面是非常强大的框架。

原文链接：https://analyticsindiamag.com/keras-vs-pytorch-vs-caffe-comparing-the-implementation-of-cnn/

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