使用Java部署训练好的Keras深度学习模型

AiTechYun

发布于 2018-09-26 10:29:05

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Keras库为深度学习提供了一个相对简单的接口，使神经网络可以被大众使用。然而，我们面临的挑战之一是将Keras的探索模型转化为产品模型。Keras是用Python编写的，直到最近，这个语言之外的支持还很有限。虽然Flask，PySpark和Cloud ML等工具可以直接在Python中产品化模型，但我通常更喜欢使用Java来部署模型。

像ONNX这样的项目正朝着深度学习的标准化方向发展，但支持这些格式的运行时仍然有限。常用的方法是将Keras模型转换为TensorFlow图，然后在其他支持TensorFlow的运行时中使用这些图。我最近发现了Deeplearning4J（DL4J）项目，该项目本身支持Keras模型，使得在Java中进行深度学习很容易上手并运行。

我一直在探索深度学习的一个用例是使用Python训练Keras模型，然后使用Java产生模型。这对于需要直接在客户端进行深度学习的情况很有用，例如应用模型的Android设备，或者你希望利用使用Java编写的现有生产系统。使用keras的DL4J介绍可以访问下方链接。

链接：https://deeplearning4j.org/docs/latest/keras-import-overview

本文概述了在Python中训练Keras模型，并使用Java进行部署。我使用Jetty提供实时预测，使用Google的DataFlow构建批预测系统。运行这些示例所需的完整代码和数据可在GitHub上获得。

GitHub：https://github.com/bgweber/DeployKeras/tree/master

模型训练

第一步是使用Python中的Keras库训练模型。一旦你有一个可以部署的模型，你可以将它保存为h5格式并在Python和Java应用程序中使用它。在本教程中，我们使用我过去训练的模型（“预测哪些玩家可能购买新游戏”，模型用了Flask）进行预测。

模型的输入是十个二进制特征（G1，G2，…，G10），用于描述玩家已经购买的游戏，标签是一个单独的变量，用于描述用户是否购买了游戏，不包含在输入中。训练过程的主要步骤如下所示：

import keras
from kerasimport models, layers
# Define the model structure
model= models.Sequential()
model.add(layers.Dense(64, activation='relu', input_shape=(10,)))
...
model.add(layers.Dense(1, activation='sigmoid'))
# Compile and fit the model
model.compile(optimizer='rmsprop',loss='binary_crossentropy',
              metrics=[auc])
history= model.fit(x, y, epochs=100, batch_size=100,
                    validation_split= .2, verbose=0)
# Save the model in h5 format
model.save("games.h5")

此过程的输出是一个h5文件，它表示我们可以在Python和Java应用程序中部署的训练模型。在本文中，我将展示如何在Java中构建批量和实时预测。

Java安装程序

要使用Java部署Keras模型，我们将使用Deeplearing4j库。它提供了Java深度学习的功能，可以加载和利用Keras训练的模型。我们还将使用Dataflow进行批预测，使用Jetty进行实时预测。以下是我在这个项目中使用的库：

Deeplearning4j：为Java提供深度神经网络功能。
ND4J：为Java提供张量操作。
Jetty：用于设置Web端点。
Cloud DataFlow：在GCP上为批量预测提供自动扩展。

我使用如下所示的pom.xml将它们导入到我的项目中。对于DL4J，使用Keras时需要core和modelimport库。

<dependencies>
  <dependency>     
    <groupId>org.deeplearning4j</groupId>     
    <artifactId>deeplearning4j-core</artifactId>
    <version>1.0.0-beta2</version>   
  </dependency>        
  <dependency>     
    <groupId>org.deeplearning4j</groupId>     
    <artifactId>deeplearning4j-modelimport</artifactId>     
    <version>1.0.0-beta2</version>   
  </dependency>                      
  <dependency>     
    <groupId>org.nd4j</groupId>     
    <artifactId>nd4j-native-platform</artifactId>
    <version>1.0.0-beta2</version>   
  </dependency>
  <dependency>     
    <groupId>org.eclipse.jetty</groupId>     
    <artifactId>jetty-server</artifactId>     
    <version>9.4.9.v20180320</version>  
  </dependency>  <dependency>     
    <groupId>com.google.cloud.dataflow</groupId>     
    <artifactId>google-cloud-dataflow-java-sdk-all</artifactId> 
    <version>2.2.0</version>    
  </dependency>
</dependencies>

我在Eclipse中设置了我的项目，一旦我正确配置了pom文件，就不需要额外的设置了。

使用DL4J进行Keras预测

现在我们已经设置了库，我们可以开始使用Keras模型进行预测。我编写了下面的脚本来检验加载Keras模型并对样本数据集进行预测。第一步是从h5文件加载模型。接下来，我定义长度为10的1D张量并生成随机二进制值。最后一步是调用模型上的输出方法以生成预测。由于我的模型有一个输出节点，我使用getDouble（0）返回模型的输出。

// imports
import org.deeplearning4j.nn.modelimport.keras.KerasModelImport;
import org.deeplearning4j.nn.multilayer.MultiLayerNetwork;
import org.nd4j.linalg.api.ndarray.INDArray;
import org.nd4j.linalg.factory.Nd4j;
import org.nd4j.linalg.io.ClassPathResource;
// load the model
String simpleMlp =new ClassPathResource(
                          "games.h5").getFile().getPath();
MultiLayerNetwork model = KerasModelImport.
                    importKerasSequentialModelAndWeights(simpleMlp);
// make a random sample
int inputs =10;
INDArray features = Nd4j.zeros(inputs);
for (int i=0; i<inputs; i++)
    features.putScalar(new int[] {i}, Math.random() <0.5 ?0 :1);
// get the prediction
double prediction = model.output(features).getDouble(0);

使用DL4J时熟悉的关键概念之一是张量。Java没有用于高效张量选项的内置库，所以要用NDJ4。它提供了N维数组，它提供了在Java中实现深度学习后端的n维数组。要在张量对象中设置一个值，需要向张量传递一个提供n维索引的整数数组，以及要设置的值。由于我使用的是1维张量，因此数组长度为1。

模型对象提供predict 和output方法。predict方法返回类的预测（0或1），而output方法返回连续标签，类似于scikit-learn中的predict_proba。

实时预测

现在我们已经在Java中运行了Keras模型，我们可以开始提供模型预测。我们将采用的第一种方法是使用Jetty在Web上设置端点以提供模型预测。

Jetty设置完整代码：https://github.com/bgweber/DeployKeras/blob/master/JettyDL4J.java

模型端点作为单个类实现，用于加载Keras模型并提供预测。它实现了Jetty的AbstractHandler接口以提供模型结果。以下代码展示了如何将Jetty服务设置为在端口8080上运行，并实例化JettyDL4J类，该类在构造函数中加载Keras模型。

// Setting up the web endpoint
Server server =new Server(8080);
server.setHandler(new JettyDL4J());
server.start();
server.join();
// Load the Keras model
public JettyDL4J()throws Exception { 
    String p=new ClassPathResource("games.h5").getFile().getPath();
    model=KerasModelImport.importKerasSequentialModelAndWeights(p);
}

用于管理Web请求的程序如下面的代码片段所示。传入的参数（G1，G2，…，G10）被转换为1维张量对象并传递给Keras模型的输出方法。然后将请求标记为已处理，并将预测作为字符串返回。

// Entry point for the model prediction request
public void handle(String target,Request baseRequest,
    HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
    throws IOException, ServletException {
  // create a dataset from the input parameters
  INDArray features = Nd4j.zeros(inputs);
  for (int i=0; i<inputs; i++)
      features.putScalar(new int[] {i},  Double.parseDouble(
                          baseRequest.getParameter("G" + (i +1))));
  // output the estimate
  double prediction = model.output(features).getDouble(0);
  response.setStatus(HttpServletResponse.SC_OK);
  response.getWriter().println("Prediction: " + prediction);
  baseRequest.setHandled(true);
}

运行该类时，它会在端口8080上设置一个端点。您可以通过将浏览器指向以下URL来调用模型服务：

// Request
http://localhost:8080/?G1=1&G2=0&G3=1&G4=1&G5=0&G6=1&G7=0&G8=1&G9=1&G10=1
// Result
Prediction:0.735433042049408

结果是一个Keras模型，你现在可以实时调用它以从深度学习模型中获取预测。对于生产系统，你需要在Jetty端点前设置服务，而不是直接在Web上公开端点。

批量预测

Keras模型的另一个用例是批量预测，你可能需要为数百万条记录应用估算值。可以使用Keras模型直接在Python中事先这一点，但此方法的可扩展性受到限制。我将展示如何使用Google的DataFlow将预测应用于使用完全托管管道的海量数据集。

使用DataFlow，你可以指定要对数据集执行的操作的图，其中源和目标数据集可以是关系数据库，消息传递服务，应用程序数据库和其他服务。这些图可以作为批处理操作执行，其中基础架构启动并处理大型数据集然后关闭，或者以流模式运行，维持基础架构并且请求到达时处理。在这两种情况下，该服务都将自动调整以满足需求。它完全可以管理，非常适合可以独立执行的大型计算。

用于批量深度学习的DataFlow DAG

我的DataFlow流程中操作DAG如上所示。第一步是为模型创建数据集以进行评分。在这个例子中，我从我的样本CSV总加载值，而在实践中我通常使用BigQuery作为源和同步的模型预测。下一步是转换，它将TableRow对象作为输入，将行转换为1维张量，将模型应用于每个张量，并创建具有预测值的新输出TableRow。

DAG的完整代码：https://github.com/bgweber/DeployKeras/blob/master/DataFlowDL4J.java

此管道中的关键步骤是Keras Predict转换（如下面的代码片段所示）。转换对一组对象进行操作然后返回一组对象。在转换器中，你可以定义诸如Keras模型之类的对象，这些对象在转换器中定义的每个流程元素步骤被共享。结果是模型为每个转换器加载一次，而不是为每个需要预测的记录加载一次。

// Apply the transform to the pipeline
.apply("Keras Predict",new PTransform<PCollection<TableRow>,
                                       PCollection<TableRow>>() {      
  // Load the model in the transformer
  public PCollection<TableRow> expand(PCollection<TableRow> input) {                       
    final int inputs =10;
    final MultiLayerNetwork model;      
    try {       
     String p= newClassPathResource("games.h5").getFile().getPath();
     model=KerasModelImport.importKerasSequentialModelAndWeights(p);
  }            
  catch (Exception e) {
     throw new RuntimeException(e);
  }
  // create a DoFn for applying the Keras model to instances 
  return input.apply("Pred",ParDo.of(new DoFn<TableRow,TableRow>(){
    @ProcessElement
    public void processElement(ProcessContext c)throws Exception {
       ... // Apply the Keras model
    }}));        
}})

流程元素方法的代码如下所示。它读取输入记录，从表格行创建张量，应用模型，然后保存记录。输出行包含预测值和实际值。

// get the record to score
  TableRow row = c.element();     
  // create the feature vector                  
  INDArray features = Nd4j.zeros(inputs);                
  for (int i=0; i<inputs; i++)                  
    features.putScalar(new int[] {i},
          Double.parseDouble(row.get("G" + (i+1)).toString()));                                             
  // get the prediction                 
  double estimate = model.output(features).getDouble(0);             
  // save the result                 
  TableRow prediction =new TableRow();                   
  prediction.set("actual", row.get("actual"));                 
  prediction.set("predicted", estimate);                       
  c.output(prediction);

在本教程中排除了CSV加载和BigQuery编写代码块，因为你可能正在使用不同的端点。如果想尝试运行DAG，可以在GitHub上找到代码和CSV 。要将结果保存到BigQuery，需要设置tempLocation程序参数，如下所示：

--tempLocation=gs://your-gs-bucket/temp-dataflow-location

运行DAG后，将在BigQuery中创建一个新表，其中包含数据集的实际值和预测值。下图显示了来自Keras模型应用程序的示例数据点。

BigQuery中的预测结果

将DataFlow与DL4J一起使用的结果是，你可以使用自动扩展基础架构为批量预测评分数百万条记录。

结论

随着深度学习越来越受欢迎，越来越多的语言和环境支持这些模型。随着库开始标准化模型格式，让使用单独的语言进行模型训练和模型部署成为可能。这篇文章展示了，用Python中Keras库训练的神经网络可以使用Java中的DL4J库进行批量和实时的预测

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原始发表：2018-08-16，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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