mask rcnn算法分析_在modelarts上部署mask-rcnn模型

最近老山完成了对mask-rcnn在modelarts上的部署，部署模型来自于这个项目。部署的过程大体和我的上篇文章使用modelarts部署bert命名实体识别模型相似，许多细节也不在赘述。这篇文章主要介绍下大体的思路、遇到的问题和解决方案，文章结尾会附录运行需要的程序。

部署思路

生成savedModel

原模型是使用tensorflow做backend的keras模型。源程序中的keras模型又被封装在MaskRCNN类中。我们要先取出被封装的keras模型，在源程序提供的demo.ipynb第三步后，我们提取出keras模型

# Create model object in inference mode.
model = modellib.MaskRCNN(mode="inference", model_dir=MODEL_DIR, config=config)

# Load weights trained on MS-COCO
model.load_weights(COCO_MODEL_PATH, by_name=True)

# 前面来自于demo.ipynb
model = model.keras_model
           

之后就可以把keras模型变成tensorflow savedModel模型了，代码详见在modelarts上部署backend为TensorFlow的keras模型

customize_service.py书写

这仍然是工作最主要的部分，我们依然找到预测的源程序MaskRCNN.detect函数，我们把detect程序分成前处理+预测+后处理三段，做以下工作：

1. 把前处理和后处理分别写成子函数，把预测部分去掉，保留类的结构，尽可能减少代码更改量；
2. 前处理和后处理的数据交换通过类属性传递；
3. 把无关程序（主要是train部分程序）尽可能去掉，以减少代码调试量。

class MaskRCNN:
   # .....
   
   def detect(self, images, verbose=0):
 # some code...

       if verbose:
           log("molded_images", molded_images)
           log("image_metas", image_metas)
           log("anchors", anchors)
       # 在此之前是前处理
       # 预测
       detections, _, _, mrcnn_mask, _, _, _ =
           self.keras_model.predict([molded_images, image_metas, anchors], verbose=0)
       # 后处理程序
       results = []
       for i, image in enumerate(images):
   # ...
           })
       return results
           

遇到的问题

输出张量大小限制

模型输出张量（定义可见模型部署介绍）有30多M，超过了modelarts目前Tensorflow Serving的4M的限制，因此还需要对savedModel的模型进行更改，首先观察模型输出

0 mrcnn_detection shape:(1, 100, 6) size:600 dtype:float32
1 mrcnn_class shape:(1, 1000, 81) size:81000 dtype:float32
2 mrcnn_bbox shape:(1, 1000, 81, 4) size:324000 dtype:float32
3 mrcnn_mask shape:(1, 100, 28, 28, 81) size:6350400 dtype:float32
4 ROI shape:(1, 1000, 4) size:4000 dtype:float32
5 rpn_class shape:(1, 261888, 2) size:523776 dtype:float32
6 rpn_bbox shape:(1, 261888, 4) size:1047552 dtype:float32
           

由于输出的张量只有mrcnn_detection和mrcnn_mask两个应用于后处理，输出过大的原因在于mrcnn_mask。我们通过对后处理源程序的观察和运行结果发现，mrcnn_mask几个维度的参数意义如下

mrcnn_detection的几个维度的意义：

我们可以从2个方面去精简输出张量：

1. 检测物体的数目不需要必须凑成100个，我们以实际输出的数目作为准，去掉classid是0的值，这个对mrcnn_mask和mrcnn_detection都做精简；

   通过这种方式，我们不能减少输出的上限，但对大部分情况，输出的张量都能减少到原来的10%左右；

2. 我们关系的不是所有类别的mask，只关系被检测出物体的类别id下的mask；换言之，我们对于每个被检测的物体，可以在mrcnn_detection上找到他的classid，然后在mrcnn_mask物体类别id中，我们只需输出该id下的mask即可；

   通过这种方式，输出张量可以固定缩减成原来的1/81；

由于4M限制是对于模型输出的，因此更改也只能通过更改savedModel来实现。也因此只能使用tensorflow的一定底层操作。换言之，要把源程序中用python后处理的部分程序需要改写成tf.Operation。也许是考虑了自动求导的原因，tensorflow的张量操作虽然很多，但各个功能都弱的一逼，下面是老山的实现片段

# 前面程序是读入已保存的savedModel模型，读入输出张量y1-y7
detections = y1
mrcnn_masks = y4

# 把detections的classid列取出
detections = detections[0]
classes = tf.cast(detections[:, 4], tf.int32)

# 把classid做成一个是否为0的mask： boolean list
zero = tf.constant(0, tf.int32)
mask = tf.not_equal(classes, zero)

# 使用mask把detensions，classid精简，range_trim存储了剩下的id号
detection_trim = tf.boolean_mask(detections, mask)
classes_trim = tf.boolean_mask(classes, mask)
range_trim = tf.boolean_mask(tf.range(classes.shape[0], dtype=tf.int32), mask)

# 构造一个[index， classid]对的list，长度是已经精简完的classid，命名为stack
stack = tf.stack([range_trim, classes_trim], axis = 1)

mrcnn_masks = mrcnn_masks[0]
# 通过transpose把stack的两列弄到前面去
mrcnn_masks = tf.transpose(mrcnn_masks, perm = [0,3,1,2])
# 使用stack来精简mrcnn_masks_trim
mrcnn_masks_trim = tf.gather_nd(mrcnn_masks, stack)

# 后续是保存模型
# 详细可见附件
           

模型的输出张量改动之后，后处理模块的程序也需要做相应的调整。

输出结果的压缩

由于modelarts源程序的后处理的输出包括rois，masks, class_ids, scores等量，其中mask是每个识别物体在原图上的mask（换句话说，就是原图尺寸的boolean矩阵），如果直接变成json的话，原先的占1bit的True/False就会变成文字，下载数据量达到几十M，时间太长。为此，我们需要对输出的masks进行压缩。

老山尝试了这2类算法：

1. PNG压缩

from PIL import Image
import base64
def mask2str(mask):
   # 变成图片
   image = Image.fromarray(mask.astype('uint8')*255, 'L').convert('1')
   # 把图片输出到buffer里
   buffered = BytesIO()
   image.save(buffered, format='PNG')
   # 使用base64变成文本
   base_bytes = base64.b64encode(buffered.getvalue())
   base_str = base_bytes.decode('utf-8')
   return base_str
           

2. 自建索引压缩

import numpy as np
import base64
import lzma

def mask2str(mask):
   # 把mask打成一维，寻找值发生变化的索引序列
   mask_flatten = mask.reshape(-1)
   mask_flatten_toright= np.insert(mask_flatten, 0, False)[:-1]
   diff = np.where(mask_flatten!=mask_flatten_toright)[0]
   counts = np.diff(diff, prepend=0).astype('int32')
   # 使用lzma压缩
   counts_bytes = bytes(counts)
   lzma_bytes = lzma.compress(counts_bytes)
   # 使用base64变成文本
   base64_bytes = base64.b64encode(lzma_bytes)
   base64_str = base64_bytes.decode('utf-8')
   return base64_str
           

1. 索引压缩的想法是mask通常是在False背景下的True图，对于每行我们其实只要知道True的起始index和末了index就好，或者更抽象一步的说，图中交替的存在大量的连续False和True序列，那我们只要把他们的长度值变成list即可（默认第一个序列是False，哪怕长度是0）。这样的话，记录长度的好处在于比记录位置值更小，更便于压缩。为此，我们干脆的，把图片拉成一维，然后记录交替False、True序列的长度，再用lzma压缩。

   压缩结果是使用索引只有PNG压缩大小的45%左右。

生成图片

源程序使用matplotlib画图，不好保存，老山用PIL重写了这段程序。

附件结构

附件结构如下，部署使用的模型大家自行在github上下载，然后在notebook上使用modify.py生成savedModel模型。预测中修改get_x_auth_token.py获取x_auth_token后，更改x_auth_token.py，然后下载图片数据，然后便可以使用predict预测了。

root
├── deploy # 部署相关文件
│   ├── coco.py
│   ├── compression_.py
│   ├── config_.py
│   ├── config.py
│   ├── customize_service.py
│   ├── image_util.py
│   ├── model_util.py
│   └── surround.py
├── modify.py # 用于notebook生成savedModel模型
└── predict # 用于预测
   ├── compression_.py
   ├── get_x_auth_token.py
   ├── new_visualize.py
   ├── predict.py
   └── x_auth_token.py
           

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present.zip

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作者：山找海味