如何合并两个 TensorFlow 模型

这是Tensorflow SavedModel模型系列文章的第三篇，也是终章。在《 Tensorflow SavedModel模型的保存与加载 》中，我们谈到了Tensorflow模型如何保存为SavedModel格式，以及如何加载之。在《 如何查看tensorflow SavedModel格式模型的信息 》中，我们演示了如何查看模型的signature和计算图结构。在本文中，我们将探讨如何合并两个模型，简单的说，就是将第一个模型的输出，作为第二个模型的输入，串联起来形成一个新模型。

背景

为什么需要合并两个模型？

我们还是以《 Tensorflow SavedModel模型的保存与加载 》中的代码为例，这个手写数字识别模型接收的输入是shape为[?, 784]，这里?代表可以批量接收输入，可以先忽略，就把它固定为1吧。784是28 x 28进行展开的结果，也就是28 x 28灰度图像展开的结果。

问题是，我们送给模型的通常是图片，可能来自文件、可能来自摄像头。让问题变得复杂的是，如果我们通过HTTP来调用部署到服务器端的模型，二进制数据实际上是不方便HTTP传输的，这时我们通常需要对图像数据进行base64编码。这样服务器端接收到的数据是一个base64字符串，可模型接受的是二进制向量。

很自然的，我们可以想到两种解决方法：

1. 重新训练模型一个接收base64字符串的模型。

   这种解决方法的问题在于：重新训练模型很费时，甚至不可行。本文示例因为比较简单，重新训练也没啥。如果是那种很深的卷积神经网络，训练一次可能需要好几天，重新训练代价很大。更普遍的情况是，我们使用的是别人训练好的模型，比如图像识别中普遍使用的Mobilenet、InceptionV3等等，都是Google、微软这样的公司，耗费大量的资源训练出来的，我们没有那个条件重新训练。

2. 在服务器端增加base64到二进制数据的转换

   这种解决方法实现起来不复杂，但如果我们使用的是Tensorflow model server之类的方案部署的呢？当然我们也可以再开启一个server，来接受客户端的base64图像数据，处理完毕之后再转发给Tensorflow model server，但这无疑增加了服务端的工作量，增加了服务端的复杂性。

在本文，我们将给出第三种方案：编写一个Tensorflow模型，接收base64的图像数据，输出二进制向量，然后将第一个模型的输出作为第二个模型的输入，串接起来，保存为一个新的模型，最后部署新的模型。

base64解码Tensorflow模型

Tensorflow包含了大量图像处理和数组处理的方法，所以实现这个模型比较简单，模型包含了base64解码、解码PNG图像、缩放到28 * 28、最后展开为(1, 784)的数组输出，符合手写数字识别模型的输入，代码如下:

with tf.Graph().as_default() as g1:
  base64_str = tf.placeholder(tf.string, name='input_string')
  input_str = tf.decode_base64(base64_str)
  decoded_image = tf.image.decode_png(input_str, channels=1)
  # Convert from full range of uint8 to range [0,1] of float32.
  decoded_image_as_float = tf.image.convert_image_dtype(decoded_image,
                                                        tf.float32)
  decoded_image_4d = tf.expand_dims(decoded_image_as_float, 0)
  resize_shape = tf.stack([28, 28])
  resize_shape_as_int = tf.cast(resize_shape, dtype=tf.int32)
  resized_image = tf.image.resize_bilinear(decoded_image_4d,
                                           resize_shape_as_int)
  # 展开为1维数组
  resized_image_1d = tf.reshape(resized_image, (-1, 28 * 28))
  print(resized_image_1d.shape)
  tf.identity(resized_image_1d, name="DecodeJPGOutput")

g1def = g1.as_graph_def()

在该模型中，并不存在变量，都是一些固定的操作，所以无需进行训练。

加载手写识别模型

手写识别模型参考《 Tensorflow SavedModel模型的保存与加载 》一文，模型保存在 “./model” 下，加载代码如下：

with tf.Graph().as_default() as g2:
  with tf.Session(graph=g2) as sess:
    input_graph_def = saved_model_utils.get_meta_graph_def(
        "./model", tag_constants.SERVING).graph_def

    tf.saved_model.loader.load(sess, ["serve"], "./model")

    g2def = graph_util.convert_variables_to_constants(
        sess,
        input_graph_def,
        ["myOutput"],
        variable_names_whitelist=None,
        variable_names_blacklist=None)

这里使用了g2定义了另外一个graph，和前面的模型的graph区分开来。注意这里调用了 graph_util.convert_variables_to_constants 将模型中的变量转化为常量，也就是所谓的冻结图(freeze graph)操作。

在研究如何连接两个模型时，我在这个问题上卡了很久。先的想法是合并模型之后，再加载变量值进来，但是尝试之后，怎么也不成功。后来的想法是遍历手写识别模型的变量，获取其变量值，将变量值复制到合并的模型的变量，但这样操作，使用模型时，总是提示有变量未初始化。

最后从Tensorflow模型到Tensorflow lite模型转换中获得了灵感，将模型中的变量固定下来，这样就不存在变量的加载问题，也不会出现模型变量未初始化的问题。

执行 convert_variables_to_constants 后，可以看到有两个变量转化为了常量操作，也就是手写数字识别模型中的 w 和 b ：

Converted 2 variables to const ops.

连接两个模型

利用 tf.import_graph_def 方法，我们可以导入图到现有图中，注意第二个 import_graph_def ，其input是第一个graph_def的输出，通过这样的操作，就将两个计算图连接起来，最后保存起来。代码如下：

with tf.Graph().as_default() as g_combined:
  with tf.Session(graph=g_combined) as sess:

    x = tf.placeholder(tf.string, name="base64_input")

    y, = tf.import_graph_def(g1def, input_map={"input_string:0": x}, return_elements=["DecodeJPGOutput:0"])

    z, = tf.import_graph_def(g2def, input_map={"myInput:0": y}, return_elements=["myOutput:0"])
    tf.identity(z, "myOutput")

    tf.saved_model.simple_save(sess,
              "./modelbase64",
              inputs={"base64_input": x},
              outputs={"myOutput": z})

因为第一个模型不包含变量，第二个模型的变量转化为了常量操作，所以最后保存的模型文件并不包含变量：

modelbase64/
├── saved_model.pb
└── variables

1 directory, 1 file

测试

我们写一段测试代码，测试一下合并之后模型是否管用，代码如下：

with tf.Session(graph=tf.Graph()) as sess:
  sess.run(tf.global_variables_initializer())

  tf.saved_model.loader.load(sess, ["serve"], "./modelbase64")
  graph = tf.get_default_graph()

  with open("./5.png", "rb") as image_file:
    encoded_string = str(base64.urlsafe_b64encode(image_file.read()), "utf-8")

  x = sess.graph.get_tensor_by_name('base64_input:0')
  y = sess.graph.get_tensor_by_name('myOutput:0')

  scores = sess.run(y,
           feed_dict={x: encoded_string})
  print("predict: %d, actual: %d" % (np.argmax(scores, 1), 5))

这里模型的输入为 base64_input ，输出仍然是 myOutput ，使用两个图片测试，均工作正常。

小结

最近三篇文章其实都是在研究我的微信小程序时总结的，为了更好的说明问题，我使用了一个非常简单的模型来说明问题，但同样适用于复杂的模型。

本文的完整代码请参考：https://github.com/mogoweb/aiexamples/tree/master/tensorflow/saved_model

希望这篇文章对您有帮助，感谢阅读！同时敬请关注我的微信公众号：云水木石。