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Keras是我最喜欢的Python深度学习框架，特别是在图像分类领域。我在很多地方都使用到了Keras，包括生产系统、我自己的深度学习项目，以及PyImageSearch博客。
我的新书“基于Keras的深度学习计算机视觉”有三分之二的篇幅都跟这个框架有关。然而，在该框架过程中遇到的最大的一个问题就是执行多GPU训练。
但是，这个问题将不复存在！
随着Keras（v2.0.8）最新版本的发布，使用多GPU 训练深度神经网络将变得非常容易，就跟调用函数一样简单!
如何使用Keras进行多GPU训练
当我第一次使用Keras的时候，我深深爱上了它的API。它简单而又优雅，类似于scikit-learn。但是，它又非常强大，能够实现并训练最先进的深度神经网络。
然后，对于Keras我最失望的的地方之一就是在多GPU环境中非常难用。如果你使用的是Theano，请忘记这一点，因为多GPU训练不会发生。虽然TensorFlow可以实现的，但需要编写大量的代码以及做出大量的调整来使你的网络支持多GPU训练。我喜欢在执行多GPU训练的时候使用mxnet作为Keras的后端，但它需要配置很多东西。
这所有的一切都随着FrançoisChollet公告的出现而发生了改变，使用TensorFlow作为后端的多GPU支持现在已经放到了Keras v2.0.8中。这个功劳很大程度上归功于@kuza55和他们的keras-extras库。我使用这个多GPU功能已经有将近一年时间了，我非常高兴看到它成为Keras官方发布的一部分。
在这篇文章中，我将演示如何使用Keras、Python和深度学习来训练卷积神经网络进行图像分类。要获取相关代码，请访问这个网页中的“Downloads”章节。
MiniGoogLeNet深度学习架构
图1：MiniGoogLeNet架构是它的兄弟GoogLeNet/Inception的一个缩减版。
在图1中，我们可以看到独立的convolution（左）、inception（中）和downsample（右）模块，下面则是由这些构建块构建而成的整个MiniGoogLeNet架构（底部）。我们将在本文后面的多GPU实验中使用MiniGoogLeNet架构。
MiniGoogLenet中的Inception模块是由Szegedy等人设计的原始Inception模块的一个变体。我最初是从@ericjang11和@pluskid的推文中了解到“Miniception”模块的，他们的推文详细描述了该模块和相关的MiniGoogLeNet架构。
然后，我用Keras和Python实现了MiniGoogLeNet架构，并将其作为“基于Keras的深度学习计算机视觉”一书的一部分。
对MiniGoogLeNet Keras实现的完整描述已经超出了本文的讨论范围，如果你对此感兴趣的话，请阅读我这本书。
用Keras和多GPU训练深度神经网络
下面我们开始使用Keras和多GPU来训练深度学习网络。
在开始之前，请确保你的环境中已经安装了Keras 2.0.8（或更高版本）：
$ workon dl4cv
$ pip install --upgrade keras
AI 代码解读
创建一个新文件，将其命名为train.py，然后插入以下代码：
# set the matplotlib backend so figures can be saved in the background
# (uncomment the lines below if you are using a headless server)
# import matplotlib
# matplotlib.use("Agg")
# import the necessary packages
from pyimagesearch.minigooglenet import MiniGoogLeNet
from sklearn.preprocessing import LabelBinarizer
from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
from keras.callbacks import LearningRateScheduler
from keras.utils.training_utils import multi_gpu_model
from keras.optimizers import SGD
from keras.datasets import cifar10
import matplotlib.pyplot as plt
import tensorflow as tf
import numpy as np
import argparse
AI 代码解读
如果你使用的是无外设服务器，则需要取消第3行和第4行上注释符来配置matplotlib后端。 这能让matplotlib图保存到磁盘。 如果你没有使用无外设服务器（即键盘、鼠标、显示器已连接系统），则无需去掉注释符。
在这段代码中，导入了该脚本所需的包。第7行从pyimagesearch模块导入MiniGoogLeNet。另一个需要注意的是第13行，我们导入了CIFAR10数据集。 这个帮助函数能让我们仅使用一行代码即可从磁盘加载CIFAR-10数据集。
现在我们来解析命令行参数：
# construct the argument parse and parse the arguments
ap = argparse.ArgumentParser()
ap.add_argument("-o", "--output", required=True,
help="path to output plot")
ap.add_argument("-g", "--gpus", type=int, default=1,
help="# of GPUs to use for training")
args = vars(ap.parse_args())
# grab the number of GPUs and store it in a conveience variable
G = args["gpus"]
AI 代码解读
我们在第20-25行使用argparse来解析一个必需的和一个可选的参数：
--output：训练完毕后输出图的路径。--gpus：用于训练的GPU的个数。
在加载命令行参数后，为方便起见，我们将GPU数量保存在G中（第28行）
接着，我们要初始化用于配置训练过程的两个重要变量，然后定义poly_decay，这是一个学习速率调度函数，类似于Caffe多项式学习速率衰减：
# definine the total number of epochs to train for along with the
# initial learning rate
NUM_EPOCHS = 70
INIT_LR = 5e-3
def poly_decay(epoch):
# initialize the maximum number of epochs, base learning rate,
# and power of the polynomial
maxEpochs = NUM_EPOCHS
baseLR = INIT_LR
power = 1.0
# compute the new learning rate based on polynomial decay
alpha = baseLR * (1 - (epoch / float(maxEpochs))) ** power
# return the new learning rate
return alpha
AI 代码解读
设置NUM_EPOCHS = 70，这是训练数据通过网络（第32行）的迭代次数。我们还初始化了学习速率INIT_LR = 5e-3，这是我们在以前的试验中发现的值（第33行）。
这里，我们定义了poly_decay函数，这个函数类似于于Caffe的多项式学习速率衰减（第35-46行）。从本质上讲，这个函数更新了训练过程中的学习速度，在每次迭代之后能有效减少学习速率。 power = 1.0将把衰减从多项式变为线性变化。
接下来，我们将加载训练和测试数据，并将图像数据从整数转换为浮点数：
# load the training and testing data, converting the images from
# integers to floats
print("[INFO] loading CIFAR-10 data...")
((trainX, trainY), (testX, testY)) = cifar10.load_data()
trainX = trainX.astype("float")
testX = testX.astype("float")
AI 代码解读
接着对数据应用均值减法：
# apply mean subtraction to the data
mean = np.mean(trainX, axis=0)
trainX -= mean
testX -= mean
AI 代码解读
在第56行，计算了所有训练图像的平均值，然后在第57和58行，将训练和测试集中的每个图像减去这个平均值。
然后，执行“独热编码（one-hot encoding）”：
# convert the labels from integers to vectors
lb = LabelBinarizer()
trainY = lb.fit_transform(trainY)
testY = lb.transform(testY)
AI 代码解读
独热编码将分类标签从单个整数转换为向量，这样，就可以对其应用分类交叉熵损失函数。 我们已经在第61-63行考虑到了这一点。
接下来，创建一个数据增强器和一组回调函数：
# construct the image generator for data augmentation and construct
# the set of callbacks
aug = ImageDataGenerator(width_shift_range=0.1,
height_shift_range=0.1, horizontal_flip=True,
fill_mode="nearest")
callbacks = [LearningRateScheduler(poly_decay)]
AI 代码解读
在第67-69行，构建了图像生成器，用于数据扩充。数据扩充在是在训练过程中使用的一种方法，可通过对图像进行随机变换来随机改变图像。通过这些变换，网络将会持续看到增加的示例，这有助于网络更好地泛化到验证数据上，但同时也可能在训练集上表现得更差。 在多数情况下，这种权衡是值得的。
在第70行创建了一个回调函数，这使得学习速率在每次迭代之后发生衰减。请注意，函数名为poly_decay。
下面，我们来看看GPU变量：
# check to see if we are compiling using just a single GPU
if G <= 1:
print("[INFO] training with 1 GPU...")
model = MiniGoogLeNet.build(width=32, height=32, depth=3,
classes=10)
AI 代码解读
如果GPU数量小于或等于1，则通过.build函数（第73-76行）来初始化model，否则在训练期间并行化模型：
# otherwise, we are compiling using multiple GPUs
else:
print("[INFO] training with {} GPUs...".format(G))
# we'll store a copy of the model on *every* GPU and then combine
# the results from the gradient updates on the CPU
with tf.device("/cpu:0"):
# initialize the model
model = MiniGoogLeNet.build(width=32, height=32, depth=3,
classes=10)
# make the model parallel
model = multi_gpu_model(model, gpus=G)
AI 代码解读
在Keras中创建一个多GPU模型需要一些额外的代码，但不是很多！
首先，第84行，你会注意到我们已经指定使用CPU（而不是GPU）作为网络的上下文。为什么我们要用CPU呢？CPU可用于处理任何一种工作（比如在GPU内存上移动训练图像），而GPU本身则负责繁重的工作。在这种情况下，CPU将用于实例化基本模型。
然后，在第90行调用multi_gpu_model。 该函数将模型从CPU复制到所有的GPU上，从而获得单机多GPU的数据并行环境。
在训练网络图像的时候，训练任务将分批到每个GPU上执行。CPU将从每个GPU上获取梯度，然后执行梯度更新步骤。
然后，可以编译模型并启动训练过程了：
# initialize the optimizer and model
print("[INFO] compiling model...")
opt = SGD(lr=INIT_LR, momentum=0.9)
model.compile(loss="categorical_crossentropy", optimizer=opt,
metrics=["accuracy"])
# train the network
print("[INFO] training network...")
H = model.fit_generator(
aug.flow(trainX, trainY, batch_size=64 * G),
validation_data=(testX, testY),
steps_per_epoch=len(trainX) // (64 * G),
epochs=NUM_EPOCHS,
callbacks=callbacks, verbose=2)
AI 代码解读
在第94行，我们构建了随机梯度下降（SGD）优化器。随后，我们用SGD优化器和分类交叉熵损失函数来编译模型。
现在，我们要开始训练网络了！
要启动训练，我们调用了model.fit_generator并提供了必要的参数。我们希望每个GPU上的批处理大小为64，这是由batch_size=64 * G指定的。训练将持续70此迭代（我们之前指定的）。梯度更新的结果将合并到CPU上，然后在整个训练过程中应用在每个GPU上。
现在训练和测试完成了，让我们画出损失/准确性曲线，以使整个训练过程可视化：
# grab the history object dictionary
H = H.history
# plot the training loss and accuracy
N = np.arange(0, len(H["loss"]))
plt.style.use("ggplot")
plt.figure()
plt.plot(N, H["loss"], label="train_loss")
plt.plot(N, H["val_loss"], label="test_loss")
plt.plot(N, H["acc"], label="train_acc")
plt.plot(N, H["val_acc"], label="test_acc")
plt.title("MiniGoogLeNet on CIFAR-10")
plt.xlabel("Epoch #")
plt.ylabel("Loss/Accuracy")
plt.legend()
# save the figure
plt.savefig(args["output"])
plt.close()
AI 代码解读
最后一段代码只是使用matplotlib来绘制训练/测试的损失和准确性曲线（第112-121行），然后将数据保存到磁盘上（第124行）。
Keras的多GPU运行结果
来看下我们努力的结果。我们先在一个GPU上进行训练以获得基线结果：
$ python train.py --output single_gpu.png
[INFO] loading CIFAR-10 data...
[INFO] training with 1 GPU...
[INFO] compiling model...
[INFO] training network...
Epoch 1/70
- 64s - loss: 1.4323 - acc: 0.4787 - val_loss: 1.1319 - val_acc: 0.5983
Epoch 2/70
- 63s - loss: 1.0279 - acc: 0.6361 - val_loss: 0.9844 - val_acc: 0.6472
Epoch 3/70
- 63s - loss: 0.8554 - acc: 0.6997 - val_loss: 1.5473 - val_acc: 0.5592
...
Epoch 68/70
- 63s - loss: 0.0343 - acc: 0.9898 - val_loss: 0.3637 - val_acc: 0.9069
Epoch 69/70
- 63s - loss: 0.0348 - acc: 0.9898 - val_loss: 0.3593 - val_acc: 0.9080
Epoch 70/70
- 63s - loss: 0.0340 - acc: 0.9900 - val_loss: 0.3583 - val_acc: 0.9065
Using TensorFlow backend.
real 74m10.603s
user 131m24.035s
sys 11m52.143s
AI 代码解读
图2：在单个GPU上使用CIFAR-10对MiniGoogLeNet网络进行训练和测试的实验结果。
在这个实验中，我在NVIDIA DevBox上使用了单个Titan X GPU进行了训练。 每一个迭代花了大概63秒，总训练时间为74分10秒。
然后，执行以下命令在四个Titan X GPU上进行训练：
$ python train.py --output multi_gpu.png --gpus 4
[INFO] loading CIFAR-10 data...
[INFO] training with 4 GPUs...
[INFO] compiling model...
[INFO] training network...
Epoch 1/70
- 21s - loss: 1.6793 - acc: 0.3793 - val_loss: 1.3692 - val_acc: 0.5026
Epoch 2/70
- 16s - loss: 1.2814 - acc: 0.5356 - val_loss: 1.1252 - val_acc: 0.5998
Epoch 3/70
- 16s - loss: 1.1109 - acc: 0.6019 - val_loss: 1.0074 - val_acc: 0.6465
...
Epoch 68/70
- 16s - loss: 0.1615 - acc: 0.9469 - val_loss: 0.3654 - val_acc: 0.8852
Epoch 69/70
- 16s - loss: 0.1605 - acc: 0.9466 - val_loss: 0.3604 - val_acc: 0.8863
Epoch 70/70
- 16s - loss: 0.1569 - acc: 0.9487 - val_loss: 0.3603 - val_acc: 0.8877
Using TensorFlow backend.
real 19m3.318s
user 104m3.270s
sys 7m48.890s
AI 代码解读
图3：针对CIFAR10数据集在多GPU（4个Titan X GPU）上使用Keras和MiniGoogLeNet的训练结果。训练结果与单GPU的训练结果差不多，训练时间减少约75％。
在这里，可以看到训练过程得到了准线性的提速：使用四个GPU，可以将每次迭代减少到16秒。整个网络的训练耗时19分3秒。
正如你所看到的，使用Keras和多个GPU来训练深度神经网络不仅简单而且高效！
注意：在这种情况下，单GPU实验获得的精度略高于多GPU。这是因为在训练任何一种随机机器学习模型的时候，都会出现一些差异。如果将这些结果平均一下，那么它们（几乎）是相同的。
总结
在今天的博文中，我们学到了如何使用多个GPU来训练基于Keras的深度神经网络。利用多个GPU，我们获得了准线性的提速。为了验证这一点，我们使用CIFAR-10数据集训练了MiniGoogLeNet。使用单个GPU，单次迭代时间为63秒，总训练时间为74分10秒。然而，使用Keras和Python在多GPU上训练的时候，单次迭代时间缩短到了16秒，总训练时间为19分03秒。
在Keras中启用多GPU训练就跟调用函数一样简单， 强烈建议你尽早使用多GPU进行训练。我猜想，在将来multi_gpu_model肯定会进一步得到改进，能让我们指定使用哪几个GPU进行训练，并最终实现多系统的训练。
文章原标题《How-To: Multi-GPU training with Keras, Python, and deep learning》，作者：Adrian Rosebrock，译者：夏天，审校：主题曲。
文章为简译，更为详细的内容，请查看原文
本文由北邮@爱可可-爱生活老师推荐，阿里云云栖社区组织翻译。
