基于web端的深度学习模型部署

1.1 web服务与技术框架

下面以ResNet50预训练模型为例，旨在展示一个轻量级的深度学习模型部署，写一个较为简单的图像分类的REST API。主要技术框架为Keras+Flask+Redis。其中Keras作为模型框架、Flask作为后端Web框架、Redis则是方便以键值形式存储图像的数据库。各主要package版本：

tensorflow 1.14keras 2.2.4flask 1.1.1redis 3.3.8

先简单说一下Web服务，一个Web应用的本质无非就是客户端发送一个HTTP请求，然后服务器收到请求后生成一个HTML文档作为响应返回给客户端的过程。在部署深度学习模型时，大多时候我们不需要搞一个前端页面出来，一般是以REST API的形式提供给开发调用。那么什么是API呢？很简单，如果一个URL返回的不是HTML，而是机器能直接解析的数据，这样的一个URL就可以看作是一个API。

先开启Redis服务：

redis-server

1.2 服务配置

定义一些配置参数：

IMAGE_WIDTH = 224IMAGE_HEIGHT = 224IMAGE_CHANS = 3IMAGE_DTYPE = "float32"IMAGE_QUEUE = "image_queue"BATCH_SIZE = 32SERVER_SLEEP = 0.25CLIENT_SLEEP = 0.25

指定输入图像大小、类型、batch_size大小以及Redis图像队列名称。

然后创建Flask对象实例，建立Redis数据库连接：

app = flask.Flask(__name__)db = redis.StrictRedis(host="localhost", port=6379, db=0)model = None

因为图像数据作为numpy数组不能直接存储到Redis中，所以图像存入到数据库之前需要将其序列化编码，从数据库取出时再将其反序列化解码即可。分别定义编码和解码函数：

def base64_encode_image(img):return base64.b64encode(img).decode("utf-8")def base64_decode_image(img, dtype, shape):if sys.version_info.major == 3:img = bytes(img, encoding="utf-8")img = np.frombuffer(base64.decodebytes(img), dtype=dtype)img = img.reshape(shape)return img

另外待预测图像还需要进行简单的预处理，定义预处理函数如下：

def prepare_image(image, target):# if the image mode is not RGB, convert itif image.mode != "RGB":image = image.convert("RGB")# resize the input image and preprocess itimage = image.resize(target)image = img_to_array(image)# expand image as one batch like shape (1, c, w, h)image = np.expand_dims(image, axis=0)image = imagenet_utils.preprocess_input(image)# return the processed imagereturn image

1.3 预测接口定义

准备工作完毕之后，接下来就是主要的两大部分：模型预测部分和app后端响应部分。先定义模型预测函数如下：

def classify_process():# 导入模型print("* Loading model...")model = ResNet50(weights="imagenet")print("* Model loaded")while True:# 从数据库中创建预测图像队列queue = db.lrange(IMAGE_QUEUE, 0, BATCH_SIZE - 1)imageIDs = []batch = None# 遍历队列for q in queue:# 获取队列中的图像并反序列化解码q = json.loads(q.decode("utf-8"))image = base64_decode_image(q["image"], IMAGE_DTYPE,(1, IMAGE_HEIGHT, IMAGE_WIDTH, IMAGE_CHANS))# 检查batch列表是否为空if batch is None:batch = image# 合并batchelse:batch = np.vstack([batch, image])# 更新图像IDimageIDs.append(q["id"])if len(imageIDs) > 0:print("* Batch size: {}".format(batch.shape))preds = model.predict(batch)results = imagenet_utils.decode_predictions(preds)# 遍历图像ID和预测结果并打印for (imageID, resultSet) in zip(imageIDs, results):# initialize the list of output predictionsoutput = []# loop over the results and add them to the list of# output predictionsfor (imagenetID, label, prob) in resultSet:r = {"label": label, "probability": float(prob)}output.append(r)# 保存结果到数据库db.set(imageID, json.dumps(output))# 从队列中删除已预测过的图像db.ltrim(IMAGE_QUEUE, len(imageIDs), -1)time.sleep(SERVER_SLEEP)

然后定义app服务：

@app.route("/predict", methods=["POST"])def predict():# 初始化数据字典data = {"success": False}# 确保图像上传方式正确if flask.request.method == "POST":if flask.request.files.get("image"):# 读取图像数据image = flask.request.files["image"].read()image = Image.open(io.BytesIO(image))image = prepare_image(image, (IMAGE_WIDTH, IMAGE_HEIGHT))# 将数组以C语言存储顺序存储image = image.copy(order="C")# 生成图像IDk = str(uuid.uuid4())d = {"id": k, "image": base64_encode_image(image)}db.rpush(IMAGE_QUEUE, json.dumps(d))# 运行服务while True:# 获取输出结果output = db.get(k)if output is not None:output = output.decode("utf-8")data["predictions"] = json.loads(output)db.delete(k)breaktime.sleep(CLIENT_SLEEP)data["success"] = Truereturn flask.jsonify(data)

Flask使用Python装饰器在内部自动将请求的URL和目标函数关联了起来，这样方便我们快速搭建一个Web服务。

1.4 接口测试

服务搭建好了之后我们可以用一张图片来测试一下效果：

curl -X POST -F image=@test.jpg 'http://127.0.0.1:5000/predict'

模型端的返回：

预测结果返回：

最后我们可以给搭建好的服务进行一个压力测试，看看服务的并发等性能如何，定义一个压测文件stress_test.py 如下：

from threading import Threadimport requestsimport time# 请求的URLKERAS_REST_API_URL = "http://127.0.0.1:5000/predict"# 测试图片IMAGE_PATH = "test.jpg"# 并发数NUM_REQUESTS = 500# 请求间隔SLEEP_COUNT = 0.05def call_predict_endpoint(n):# 上传图像image = open(IMAGE_PATH, "rb").read()payload = {"image": image}# 提交请求r = requests.post(KERAS_REST_API_URL, files=payload).json()# 确认请求是否成功if r["success"]:print("[INFO] thread {} OK".format(n))else:print("[INFO] thread {} FAILED".format(n))# 多线程进行for i in range(0, NUM_REQUESTS):# 创建线程来调用apit = Thread(target=call_predict_endpoint, args=(i,))t.daemon = Truet.start()time.sleep(SLEEP_COUNT)time.sleep(300)

测试效果如下：