本文介绍如何使用 Open Neural Network Exchange (ONNX) 对从 Azure 机器学习中的自动机器学习 (AutoML) 生成的计算机视觉模型进行预测。

一、环境准备

对任何受支持的图像任务（分类、对象检测或实例分段）获取经 AutoML 训练的计算机视觉模型。详细了解 AutoML 对计算机视觉任务的支持。
安装 onnxruntime 包。本文中的方法已使用 1.3.0-1.8.0 版本进行了测试。

二、下载 ONNX 模型文件

可以使用 Azure 机器学习工作室 UI 或 Azure 机器学习 Python SDK 从 AutoML 运行下载 ONNX 模型文件。建议使用具有实验名称和父运行 ID 的 SDK 进行下载。

2.1 Azure 机器学习工作室

在 Azure 机器学习工作室中，通过训练笔记本中生成的指向实验的超链接进入实验，或选择“资产”下的“实验”选项卡中实验名称进入实验。然后，选择最佳子运行。

在最佳子运行中，转到“输出+日志”>“train_artifacts” 。使用“下载”按钮手动下载以下文件：

labels.json：包含训练数据集中所有类或标签的文件。
model.onnx：ONNX 格式的模型。

将下载的模型文件保存到目录。本文中的示例使用 ./automl_models 目录。

2.2 Azure 机器学习 Python SDK

在 SDK 中，可以使用实验名称和父运行 ID 选择最佳子运行（按主要指标）。然后，可以下载 labels.json 和 model.onnx 文件。

以下代码根据相关的主要指标返回最佳子运行。

from azureml.train.automl.run import AutoMLRun
# Select the best child run
run_id = '' # Specify the run ID
automl_image_run = AutoMLRun(experiment=experiment, run_id=run_id)
best_child_run = automl_image_run.get_best_child()

下载 labels.json 文件，其中包含训练数据集中的所有类和标签。

labels_file = 'automl_models/labels.json'
best_child_run.download_file(name='train_artifacts/labels.json', output_file_path=labels_file)

下载 model.onnx 文件。

onnx_model_path = 'automl_models/model.onnx'
best_child_run.download_file(name='train_artifacts/model.onnx', output_file_path=onnx_model_path)

2.3 生成模型进行批量评分

默认情况下，AutoML for Images 支持分类的批量评分。但是对象检测和实例分段模型不支持批量推理。若要对于对象检测和实例分段进行批量推断，请使用以下过程为所需的批大小生成 ONNX 模型。为特定批大小生成的模型不能用于其他批大小。

from azureml.core.script_run_config import ScriptRunConfig
from azureml.train.automl.run import AutoMLRun
from azureml.core.workspace import Workspace
from azureml.core import Experiment
# specify experiment name
experiment_name = ''
# specify workspace parameters
subscription_id = ''
resource_group = ''
workspace_name = ''
# load the workspace and compute target
ws = ''
compute_target = ''
experiment = Experiment(ws, name=experiment_name)
# specify the run id of the automl run
run_id = ''
automl_image_run = AutoMLRun(experiment=experiment, run_id=run_id)
best_child_run = automl_image_run.get_best_child()

使用以下模型特定参数提交脚本。有关参数的更多详细信息，请参阅模型特定超参数；有关支持的对象检测模型名称，请参阅支持的模型算法部分。

若要获取创建批处理评分模型所需的参数值，请参阅 AutoML 训练运行 outputs 文件夹下生成的评分脚本。使用最佳子运行评分文件内模型设置变量中提供的超参数值。

多类图像分类

对于多类图像分类，为最佳子运行生成的 ONNX 模型默认支持批量评分。因此，此任务类型不需要模型特定的参数。

三、加载标签和 ONNX 模型文件

以下代码片段加载 labels.json，其中类名已排序。也就是说，如果 ONNX 模型预测标签 ID 为 2，则它对应于 labels.json 文件中的第三个索引给出的标签名称。

import json
import onnxruntime
labels_file = "automl_models/labels.json"
with open(labels_file) as f:
    classes = json.load(f)
print(classes)
try:
    session = onnxruntime.InferenceSession(onnx_model_path)
    print("ONNX model loaded...")
except Exception as e: 
    print("Error loading ONNX file: ",str(e))

四、获取 ONNX 模型的预期输入和输出详细信息

使用模型时，务必了解一些特定于模型和特定于任务的详细信息。这些详细信息包括输入数量和输出数量、用于预处理图像的预期输入形状或格式，以及输出形状，确保你了解特定于模型或特定于任务的输出。

sess_input = session.get_inputs()
sess_output = session.get_outputs()
print(f"No. of inputs : {len(sess_input)}, No. of outputs : {len(sess_output)}")
for idx, input_ in enumerate(range(len(sess_input))):
    input_name = sess_input[input_].name
    input_shape = sess_input[input_].shape
    input_type = sess_input[input_].type
    print(f"{idx} Input name : { input_name }, Input shape : {input_shape}, \
    Input type  : {input_type}")  
for idx, output in enumerate(range(len(sess_output))):
    output_name = sess_output[output].name
    output_shape = sess_output[output].shape
    output_type = sess_output[output].type
    print(f" {idx} Output name : {output_name}, Output shape : {output_shape}, \
    Output type  : {output_type}")

ONNX 模型的预期输入和输出格式

每个 ONNX 模型都有一组预定义的输入和输出格式。

多类图像分类

此示例应用具有 134 个图像和 4 个类/标签的 fridgeObjects 数据集上训练的模型，以说明 ONNX 模型推理。有关训练图像分类任务的详细信息，请参阅多类图像分类笔记本。

多类图像分类输入格式

输入是经过预处理的图像。

输入名称	输入形状	输入类型	描述
input1	`(batch_size, num_channels, height, width)`	ndarray(float)	输入是经过预处理的图像，形状为 `(1, 3, 224, 224)`，批大小为 1，高度和宽度为 224。这些数字对应于训练示例中 `crop_size` 所用的值。

多类图像分类输出格式

输出是所有类/标签的 logit 数组。

输出名称	输出形状	输出类型	描述
output1	`(batch_size, num_classes)`	ndarray(float)	模型返回 logit（没有 `softmax`）。例如，对于批大小为 1 和 4 的类，它返回 `(1, 4)`。

此示例使用具有 128 个图像和 4 个类/标签的多标签 fridgeObjects 数据集上训练的模型，以说明 ONNX 模型推理。有关多标签图像分类的模型训练的详细信息，请参阅多标签图像分类笔记本。

五、预处理

多类图像分类

执行以下预处理步骤，以实现 ONNX 模型推理：

将图像转换为 RGB。
将图像大小调整为 valid_resize_size 和 valid_resize_size 值，这些值对应于训练期间验证数据集转换时使用的值。 valid_resize_size 的默认值为 256。
将图像中心裁剪为 height_onnx_crop_size 和 width_onnx_crop_size。它与 valid_crop_size 对应，默认值为 224。
将 HxWxC 更改为 CxHxW。
转换为 float 型。
使用 ImageNet 的 mean = [0.485, 0.456, 0.406] 和 std = [0.229, 0.224, 0.225] 进行规范化。

如果在训练期间为超参数valid_resize_size 和 valid_crop_size 选择了不同的值，则应使用这些值。

获取 ONNX 模型所需的输入形状。

batch, channel, height_onnx_crop_size, width_onnx_crop_size = session.get_inputs()[0].shape
batch, channel, height_onnx_crop_size, width_onnx_crop_size

多类图像分类无 PyTorch

import glob
import numpy as np
from PIL import Image
def preprocess(image, resize_size, crop_size_onnx):
    """Perform pre-processing on raw input image
    :param image: raw input image
    :type image: PIL image
    :param resize_size: value to resize the image
    :type image: Int
    :param crop_size_onnx: expected height of an input image in onnx model
    :type crop_size_onnx: Int
    :return: pre-processed image in numpy format
    :rtype: ndarray 1xCxHxW
    """
    image = image.convert('RGB')
    # resize
    image = image.resize((resize_size, resize_size))
    #  center  crop
    left = (resize_size - crop_size_onnx)/2
    top = (resize_size - crop_size_onnx)/2
    right = (resize_size + crop_size_onnx)/2
    bottom = (resize_size + crop_size_onnx)/2
    image = image.crop((left, top, right, bottom))
    np_image = np.array(image)
    # HWC -> CHW
    np_image = np_image.transpose(2, 0, 1) # CxHxW
    # normalize the image
    mean_vec = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
    std_vec = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
    norm_img_data = np.zeros(np_image.shape).astype('float32')
    for i in range(np_image.shape[0]):
        norm_img_data[i,:,:] = (np_image[i,:,:]/255 - mean_vec[i])/std_vec[i]
    np_image = np.expand_dims(norm_img_data, axis=0) # 1xCxHxW
    return np_image
# following code loads only batch_size number of images for demonstrating ONNX inference
# make sure that the data directory has at least batch_size number of images
test_images_path = "automl_models_multi_cls/test_images_dir/*" # replace with path to images
# Select batch size needed
batch_size = 8
# you can modify resize_size based on your trained model
resize_size = 256
# height and width will be the same for classification
crop_size_onnx = height_onnx_crop_size 
image_files = glob.glob(test_images_path)
img_processed_list = []
for i in range(batch_size):
    img = Image.open(image_files[i])
    img_processed_list.append(preprocess(img, resize_size, crop_size_onnx))
if len(img_processed_list) > 1:
    img_data = np.concatenate(img_processed_list)
elif len(img_processed_list) == 1:
    img_data = img_processed_list[0]
else:
    img_data = None
assert batch_size == img_data.shape[0]

多类图像分类有 PyTorch

import glob
import torch
import numpy as np
from PIL import Image
from torchvision import transforms
def _make_3d_tensor(x) -> torch.Tensor:
    """This function is for images that have less channels.
    :param x: input tensor
    :type x: torch.Tensor
    :return: return a tensor with the correct number of channels
    :rtype: torch.Tensor
    """
    return x if x.shape[0] == 3 else x.expand((3, x.shape[1], x.shape[2]))
def preprocess(image, resize_size, crop_size_onnx):
    transform = transforms.Compose([
        transforms.Resize(resize_size),
        transforms.CenterCrop(crop_size_onnx),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Lambda(_make_3d_tensor),
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])])
    img_data = transform(image)
    img_data = img_data.numpy()
    img_data = np.expand_dims(img_data, axis=0)
    return img_data
# following code loads only batch_size number of images for demonstrating ONNX inference
# make sure that the data directory has at least batch_size number of images
test_images_path = "automl_models_multi_cls/test_images_dir/*" # replace with path to images
# Select batch size needed
batch_size = 8
# you can modify resize_size based on your trained model
resize_size = 256
# height and width will be the same for classification
crop_size_onnx = height_onnx_crop_size 
image_files = glob.glob(test_images_path)
img_processed_list = []
for i in range(batch_size):
    img = Image.open(image_files[i])
    img_processed_list.append(preprocess(img, resize_size, crop_size_onnx))
if len(img_processed_list) > 1:
    img_data = np.concatenate(img_processed_list)
elif len(img_processed_list) == 1:
    img_data = img_processed_list[0]
else:
    img_data = None
assert batch_size == img_data.shape[0]

使用 ONNX 运行时进行推理

使用 ONNX 运行时进行推理因各个计算机视觉任务而异。

多类图像分类

def get_predictions_from_ONNX(onnx_session, img_data):
    """Perform predictions with ONNX runtime
    :param onnx_session: onnx model session
    :type onnx_session: class InferenceSession
    :param img_data: pre-processed numpy image
    :type img_data: ndarray with shape 1xCxHxW
    :return: scores with shapes
            (1, No. of classes in training dataset) 
    :rtype: numpy array
    """
    sess_input = onnx_session.get_inputs()
    sess_output = onnx_session.get_outputs()
    print(f"No. of inputs : {len(sess_input)}, No. of outputs : {len(sess_output)}")    
    # predict with ONNX Runtime
    output_names = [ output.name for output in sess_output]
    scores = onnx_session.run(output_names=output_names,\
                                               input_feed={sess_input[0].name: img_data})
    return scores[0]
scores = get_predictions_from_ONNX(session, img_data)

后期处理

多类图像分类无 PyTorch

对 softmax() 应用预测值，以获取每个类的分类置信度分数（概率）。然后，将预测出概率最高的类。

def softmax(x):
    e_x = np.exp(x - np.max(x, axis=1, keepdims=True))
    return e_x / np.sum(e_x, axis=1, keepdims=True)
conf_scores = softmax(scores)
class_preds = np.argmax(conf_scores, axis=1)
print("predicted classes:", ([(class_idx, classes[class_idx]) for class_idx in class_preds]))

多类图像分类有 PyTorch

conf_scores = torch.nn.functional.softmax(torch.from_numpy(scores), dim=1)
class_preds = torch.argmax(conf_scores, dim=1)
print("predicted classes:", ([(class_idx.item(), classes[class_idx]) for class_idx in class_preds]))

该步骤不同于多类分类。需要将 sigmoid 应用于 logit（ONNX 输出），以获取多标签图像分类的置信度分数。

将预测结果可视化

多类图像分类

使用标签将输入图像可视化

import matplotlib.image as mpimg
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
sample_image_index = 0 # change this for an image of interest from image_files list
IMAGE_SIZE = (18, 12)
plt.figure(figsize=IMAGE_SIZE)
img_np = mpimg.imread(image_files[sample_image_index])
img = Image.fromarray(img_np.astype('uint8'), 'RGB')
x, y = img.size
fig,ax = plt.subplots(1, figsize=(15, 15))
# Display the image
ax.imshow(img_np)
label = class_preds[sample_image_index]
if torch.is_tensor(label):
    label = label.item()
conf_score = conf_scores[sample_image_index]
if torch.is_tensor(conf_score):
    conf_score = np.max(conf_score.tolist())
else:
    conf_score = np.max(conf_score)
display_text = '{} ({})'.format(label, round(conf_score, 3))
print(display_text)
color = 'red'
plt.text(30, 30, display_text, color=color, fontsize=30)
plt.show()

Azure 机器学习 - 使用 ONNX 对来自 AutoML 的计算机视觉模型进行预测

一、环境准备

二、下载 ONNX 模型文件

2.1 Azure 机器学习工作室

2.2 Azure 机器学习 Python SDK

2.3 生成模型进行批量评分

多类图像分类

三、加载标签和 ONNX 模型文件

四、获取 ONNX 模型的预期输入和输出详细信息

ONNX 模型的预期输入和输出格式

多类图像分类

多类图像分类输入格式

多类图像分类输出格式

五、预处理

多类图像分类

多类图像分类无 PyTorch

多类图像分类有 PyTorch

使用 ONNX 运行时进行推理

多类图像分类

后期处理

多类图像分类无 PyTorch

多类图像分类有 PyTorch

将预测结果可视化

多类图像分类

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