Pytorch->Caffe模型转换

本文旨在分享Pytorch->Caffe->om模型转换流程。

标准网络

Baseline：PytorchToCaffe

主要功能代码在：

PytorchToCaffe
+-- Caffe
|   +-- caffe.proto
|   +-- layer_param.py
+-- example
|   +-- resnet_pytorch_2_caffe.py
+-- pytorch_to_caffe.py

直接使用可以参考resnet_pytorch_2_caffe.py，如果网络中的操作Baseline中都已经实现，则可以直接转换到Caffe模型。

添加自定义操作

如果遇到没有实现的操作，则要分为两种情况来考虑。

Caffe中有对应操作

以arg_max为例分享一下添加操作的方式。

首先要查看Caffe中对应层的参数：caffe.proto为对应版本caffe层与参数的定义，可以看到ArgMax定义了out_max_val、top_k、axis三个参数：

message ArgMaxParameter {
  // If true produce pairs (argmax, maxval)
  optional bool out_max_val = 1 [default = false];
  optional uint32 top_k = 2 [default = 1];
  // The axis along which to maximise -- may be negative to index from the
  // end (e.g., -1 for the last axis).
  // By default ArgMaxLayer maximizes over the flattened trailing dimensions
  // for each index of the first / num dimension.
  optional int32 axis = 3;
}

与Caffe算子边界中的参数是一致的。

layer_param.py构建了具体转换时参数类的实例，实现了操作参数从Pytorch到Caffe的传递：

def argmax_param(self, out_max_val=None, top_k=None, dim=1):
    argmax_param = pb.ArgMaxParameter()
    if out_max_val is not None:
        argmax_param.out_max_val = out_max_val
    if top_k is not None:
        argmax_param.top_k = top_k
    if dim is not None:
        argmax_param.axis = dim
    self.param.argmax_param.CopyFrom(argmax_param)

pytorch_to_caffe.py中定义了Rp类，用来实现Pytorch操作到Caffe操作的变换：

class Rp(object):
    def __init__(self, raw, replace, **kwargs):
        self.obj = replace
        self.raw = raw
​
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        if not NET_INITTED:
            return self.raw(*args, **kwargs)
        for stack in traceback.walk_stack(None):
            if 'self' in stack[0].f_locals:
                layer = stack[0].f_locals['self']
                if layer in layer_names:
                    log.pytorch_layer_name = layer_names[layer]
                    print('984', layer_names[layer])
                    break
        out = self.obj(self.raw, *args, **kwargs)
        return out

在添加操作时，要使用Rp类替换操作：

torch.argmax = Rp(torch.argmax, torch_argmax)

接下来，要具体实现该操作：

def torch_argmax(raw, input, dim=1):
    x = raw(input, dim=dim)
    layer_name = log.add_layer(name='argmax')
    top_blobs = log.add_blobs([x], name='argmax_blob'.format(type))
    layer = caffe_net.Layer_param(name=layer_name, type='ArgMax',
                                  bottom=[log.blobs(input)], top=top_blobs)
    layer.argmax_param(dim=dim)
    log.cnet.add_layer(layer)
    return x

即实现了argmax操作Pytorch到Caffe的转换。

Caffe中无直接对应操作

如果要转换的操作在Caffe中无直接对应的层实现，解决思路主要有两个：

1. 在Pytorch中将不支持的操作分解为支持的操作：

   如nn.InstanceNorm2d，实例归一化在转换时是用BatchNorm做的，不支持 affine=True 或者track_running_stats=True，默认use_global_stats:false，但om转换时use_global_stats必须为true，所以可以转到Caffe，但再转om不友好。

   InstanceNorm是在featuremap的每个Channel上进行归一化操作，因此，可以实现nn.InstanceNorm2d为：

   class InstanceNormalization(nn.Module):
       def __init__(self, dim, eps=1e-5):
           super(InstanceNormalization, self).__init__()
           self.gamma = nn.Parameter(torch.FloatTensor(dim))
           self.beta = nn.Parameter(torch.FloatTensor(dim))
           self.eps = eps
           self._reset_parameters()
   ​
       def _reset_parameters(self):
           self.gamma.data.uniform_()
           self.beta.data.zero_()
   ​
       def __call__(self, x):
           n = x.size(2) * x.size(3)
           t = x.view(x.size(0), x.size(1), n)
           mean = torch.mean(t, 2).unsqueeze(2).unsqueeze(3).expand_as(x)
           var = torch.var(t, 2).unsqueeze(2).unsqueeze(3).expand_as(x)
           gamma_broadcast = self.gamma.unsqueeze(1).unsqueeze(1).unsqueeze(0).expand_as(x)
           beta_broadcast = self.beta.unsqueeze(1).unsqueeze(1).unsqueeze(0).expand_as(x)
           out = (x - mean) / torch.sqrt(var + self.eps)
           out = out * gamma_broadcast + beta_broadcast
           return out

   但在验证HiLens Caffe算子边界中发现，om模型转换不支持Channle维度之外的求和或求均值操作，为了规避这个操作，我们可以通过支持的算子重新实现nn.InstanceNorm2d：

   class InstanceNormalization(nn.Module):
       def __init__(self, dim, eps=1e-5):
           super(InstanceNormalization, self).__init__()
           self.gamma = torch.FloatTensor(dim)
           self.beta = torch.FloatTensor(dim)
           self.eps = eps
           self.adavg = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
   ​
       def forward(self, x):
           n, c, h, w = x.shape
           mean = nn.Upsample(scale_factor=h)(self.adavg(x))
           var = nn.Upsample(scale_factor=h)(self.adavg((x - mean).pow(2)))
           gamma_broadcast = self.gamma.unsqueeze(1).unsqueeze(1).unsqueeze(0).expand_as(x)
           beta_broadcast = self.beta.unsqueeze(1).unsqueeze(1).unsqueeze(0).expand_as(x)
           out = (x - mean) / torch.sqrt(var + self.eps)
           out = out * gamma_broadcast + beta_broadcast
           return out

   经过验证，与原操作等价，可以转为Caffe模型

2. 在Caffe中通过利用现有操作实现：

   在Pytorch转Caffe的过程中发现，如果存在featuremap + 6这种涉及到常数的操作，转换过程中会出现找不到blob的问题。我们首先查看pytorch_to_caffe.py中add操作的具体转换方法：

   def _add(input, *args):
       x = raw__add__(input, *args)
       if not NET_INITTED:
           return x
       layer_name = log.add_layer(name='add')
       top_blobs = log.add_blobs([x], name='add_blob')
       if log.blobs(args[0]) == None:
           log.add_blobs([args[0]], name='extra_blob')
       else:
           layer = caffe_net.Layer_param(name=layer_name, type='Eltwise',
                                         bottom=[log.blobs(input),log.blobs(args[0])], top=top_blobs)
           layer.param.eltwise_param.operation = 1 # sum is 1
           log.cnet.add_layer(layer)
       return x

   可以看到对于blob不存在的情况进行了判断，我们只需要在log.blobs(args[0]) == None条件下进行修改，一个自然的想法是利用Scale层实现add操作：

   def _add(input, *args):
       x = raw__add__(input, *args)
       if not NET_INITTED:
           return x
       layer_name = log.add_layer(name='add')
       top_blobs = log.add_blobs([x], name='add_blob')
       if log.blobs(args[0]) == None:
           layer = caffe_net.Layer_param(name=layer_name, type='Scale',
                                          bottom=[log.blobs(input)], top=top_blobs)
           layer.param.scale_param.bias_term = True
           weight = torch.ones((input.shape[1]))
           bias = torch.tensor(args[0]).squeeze().expand_as(weight)
           layer.add_data(weight.cpu().data.numpy(), bias.cpu().data.numpy())
           log.cnet.add_layer(layer)
       else:
           layer = caffe_net.Layer_param(name=layer_name, type='Eltwise',
                                         bottom=[log.blobs(input), log.blobs(args[0])], top=top_blobs)
           layer.param.eltwise_param.operation = 1  # sum is 1
           log.cnet.add_layer(layer)
       return x

   类似的，featuremap * 6这种简单乘法也可以通过同样的方法实现。

踩过的坑

• Pooling：Pytorch默认 ceil_mode=false，Caffe默认 ceil_mode=true，可能会导致维度变化，如果出现尺寸不匹配的问题可以检查一下Pooling参数是否正确。另外，虽然文档上没有看到，但是 kernel_size > 32 后模型虽然可以转换，但推理会报错，这时可以分两层进行Pooling操作。

• Upsample ：om边界算子中的Upsample 层scale_factor参数必须是int，不能是size。如果已有模型参数为size也会正常跑完Pytorch转Caffe的流程，但此时Upsample参数是空的。参数为size的情况可以考虑转为scale_factor或用Deconvolution来实现。

• Transpose2d：Pytorch中 output_padding 参数会加在输出的大小上，但Caffe不会，输出特征图相对会变小，此时反卷积之后的featuremap会变大一点，可以通过Crop层进行裁剪，使其大小与Pytorch对应层一致。另外，om中反卷积推理速度较慢，最好是不要使用，可以用Upsample+Convolution替代。

• Pad：Pytorch中Pad操作很多样，但Caffe中只能进行H与W维度上的对称pad，如果Pytorch网络中有h = F.pad(x, (1, 2, 1, 2), "constant", 0)这种不对称的pad操作，解决思路为：

  1. 如果不对称pad的层不存在后续的维度不匹配的问题，可以先判断一下pad对结果的影响，一些任务受pad的影响很小，那么就不需要修改。

  2. 如果存在维度不匹配的问题，可以考虑按照较大的参数充分pad之后进行Crop，或是将前后两个(0, 0, 1, 1)与(1, 1, 0, 0)的pad合为一个(1, 1, 1, 1)，这要看具体的网络结构确定。

  3. 如果是Channel维度上的pad如F.pad(x, (0, 0, 0, 0, 0, channel_pad), "constant", 0)，可以考虑零卷积后cat到featuremap上：

     zero = nn.Conv2d(in_channels, self.channel_pad, kernel_size=3, padding=1, bias=False)
     nn.init.constant(self.zero.weight, 0)
     pad_tensor = zero(x)
     x = torch.cat([x, pad_tensor], dim=1)

• 一些操作可以转到Caffe，但om并不支持标准Caffe的所有操作，如果要再转到om要对照文档确认好边界算子。