一 導(dǎo)讀
近年來，自監(jiān)督學(xué)習(xí)和Transformer在視覺領(lǐng)域大放異彩。圖像自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練極大降低了圖像任務(wù)繁重的標(biāo)注工作，節(jié)省大量人力成本，而transormer技術(shù)在NLP領(lǐng)域的巨大成功也為CV模型效果進一步提升提供了非常大的想象空間。為推進自監(jiān)督學(xué)習(xí)和視覺Transformer在阿里集團、阿里云上的落地，阿里云機器學(xué)習(xí)平臺PAI 打造了 EasyCV all-in-one視覺建模工具，搭建了豐富完善的自監(jiān)督算法體系，提供了效果SOTA的視覺Transformer預(yù)訓(xùn)練模型，modelzoo覆蓋圖像自監(jiān)督訓(xùn)練、圖像分類、度量學(xué)習(xí)、物體檢測、關(guān)鍵點檢測等領(lǐng)域，并且面向開發(fā)者提供開箱即用的訓(xùn)練、推理能力，同時在訓(xùn)練/推理效率上也做了深度優(yōu)化。此外，EasyCV對阿里靈杰系統(tǒng)做了全面兼容，用戶可以非常方便的在阿里云環(huán)境下使用EasyCV的全部功能。
在經(jīng)過阿里內(nèi)部業(yè)務(wù)充分打磨以后，我們希望把EasyCV框架推向社區(qū)，進一步服務(wù)廣大的CV算法開發(fā)者以及愛好者們，使其能夠非?？焖俜奖愕捏w驗最新的圖像自監(jiān)督以及transformer技術(shù)，并落地到自己的業(yè)務(wù)生產(chǎn)當(dāng)中。
EasyCV背后的算法框架如何設(shè)計？開發(fā)者可以怎么使用？未來有哪些規(guī)劃？今天一起來深入了解。
二 什么是EasyCV
EasyCV是阿里巴巴開源的基于Pytorch，以自監(jiān)督學(xué)習(xí)和Transformer技術(shù)為核心的 all-in-one 視覺算法建模工具。EasyCV在阿里巴巴集團內(nèi)支撐了搜索、淘系、優(yōu)酷、飛豬等多個BU業(yè)務(wù)，同時也在阿里云上服務(wù)了若干企業(yè)客戶，通過平臺化組件的形式，滿足客戶自定定制化模型、解決業(yè)務(wù)問題的需求。
項目開源地址：https://github.com/alibaba/EasyCV
1 項目背景
近兩年，基于無標(biāo)注訓(xùn)練數(shù)據(jù)的圖像自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練技術(shù)發(fā)展迅猛，在各個視覺任務(wù)的效果上已經(jīng)媲美甚至超過需大量標(biāo)注的有監(jiān)督訓(xùn)練的效果；另一方面，在NLP領(lǐng)域大獲成功的Transformer技術(shù)在各個圖像任務(wù)上進一步刷新SOTA效果，其應(yīng)用呈現(xiàn)出井噴式的爆發(fā)。作為二者的結(jié)合，自監(jiān)督視覺Transformer的預(yù)訓(xùn)練也應(yīng)運而生。
業(yè)界自監(jiān)督學(xué)習(xí)和視覺Transformer算法技術(shù)更新迭代非?？?，同時也給CV算法開發(fā)者帶來了諸多困擾，比如相關(guān)開源代碼零散，實現(xiàn)方式和風(fēng)格參差不齊導(dǎo)致學(xué)習(xí)和復(fù)現(xiàn)成本過高，訓(xùn)練、推理性能低下等等。阿里云PAI團隊通過搭建靈活易用的算法框架EasyCV，體系化地沉淀SOTA的自監(jiān)督算法和Transformer預(yù)訓(xùn)練模型，封裝統(tǒng)一、簡潔易用的接口，針對自監(jiān)督大數(shù)據(jù)訓(xùn)練方面進行性能優(yōu)化，方便用戶嘗試最新的自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練技術(shù)和Transformer模型，推動在業(yè)務(wù)上的應(yīng)用和落地。
此外，基于PAI團隊多年積累的深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練、推理加速技術(shù)，在EasyCV中也集成了IO優(yōu)化，模型訓(xùn)練加速、量化裁剪等功能，在性能上具備自己的優(yōu)勢。基于阿里云的PAI產(chǎn)品生態(tài)，用戶可以方便地進行模型管理、在線服務(wù)部署、大規(guī)模離線推理任務(wù)。
2 主要特性
●豐富完善的自監(jiān)督算法體系：囊括業(yè)界有代表性的圖像自監(jiān)督算法SimCLR, MoCO, Swav, Moby, DINO等，以及基于mask圖像預(yù)訓(xùn)練方法MAE，同時提供了詳細(xì)的benchmark工具及復(fù)現(xiàn)結(jié)果。
●
●豐富的預(yù)訓(xùn)練模型庫：提供豐富的預(yù)訓(xùn)練模型，在以transformer模型為主的基礎(chǔ)上，也包含了主流的CNN 模型, 支持ImageNet預(yù)訓(xùn)練和自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練。兼容PytorchImageModels支持更為豐富的視覺Transformer backbone。
● 易用性和可擴展性 ：支持配置方式、API調(diào)用方式進行訓(xùn)練、評估、模型導(dǎo)出；框架采用主流的模塊化設(shè)計，靈活可擴展。
●高性能 ：支持多機多卡訓(xùn)練和評估，fp16訓(xùn)練加速。針對自監(jiān)督場景數(shù)據(jù)量大的特點，利用DALI和TFRecord文件進行IO方面的加速。對接阿里云機器學(xué)習(xí)PAI平臺訓(xùn)練加速、模型推理優(yōu)化。
三 主要技術(shù)特點
1 技術(shù)架構(gòu)
EasyCV 架構(gòu)圖
EasyCV 底層引擎基于Pytorch，接入Pytorch訓(xùn)練加速器進行訓(xùn)練加速。算法框架部分主要分為如下幾層：
· 框架層：框架層復(fù)用目前開源領(lǐng)域使用較為廣泛的openmmlab/mmcv 接口，通過Trainer控制訓(xùn)練的主要流程，自定義Hooks進行學(xué)習(xí)率控制、日志打印、梯度更新、模型保存、評估等操作，支持分布式訓(xùn)練、評估。Evaluators模塊提供了不同任務(wù)的評估指標(biāo)，支持多數(shù)據(jù)集評估，最優(yōu)ckpt保存，同時支持用戶自定義評估指標(biāo)?？梢暬С诸A(yù)測結(jié)果可視化、輸入圖像可視化。
· 數(shù)據(jù)層：提供了不同數(shù)據(jù)源(data_source)的抽象，支持多種開源數(shù)據(jù)集例如Cifar、ImageNet、CoCo等，支持raw圖片文件格式和TFrecord格式，TFrecord格式數(shù)據(jù)支持使用DALI進行數(shù)據(jù)處理加速，raw格式圖片支持通過緩存機制加速數(shù)據(jù)讀取。數(shù)據(jù)預(yù)處理(數(shù)據(jù)增強)過程抽象成若干個獨立的pipeline，支持配置文件方式靈活配置不同的預(yù)處理流程。
· 模型層：模型層分為模塊和算法，模塊提供基礎(chǔ)的backbone，常用的loss，neck和各種下游任務(wù)的head，模型ModelZoo涵蓋了自監(jiān)督學(xué)習(xí)算法、圖像分類、度量學(xué)習(xí)、目標(biāo)檢測和關(guān)鍵點檢測算法，后續(xù)會繼續(xù)擴充支持更多的high-level算法。
· 推理：EasyCV提供了端到端的推理API接口，支持PAI-Blade進行推理優(yōu)化，并在云上產(chǎn)品支持離在線推理。
· API層：提供了統(tǒng)一的訓(xùn)練、評估、模型導(dǎo)出、預(yù)測的API。
EasyCV支持在本地環(huán)境方便的運行和調(diào)試，同時，如果用戶想跑大規(guī)模生產(chǎn)任務(wù)，我們也支持在aliyun PAI產(chǎn)品中方便的進行部署。
2 完善的自監(jiān)督算法體系
自監(jiān)督學(xué)習(xí)無需數(shù)據(jù)標(biāo)注，對比學(xué)習(xí)的引入使其效果逐步逼近監(jiān)督學(xué)習(xí)，成為近年來學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的重點之一。EasyCV囊括了主流的基于對比學(xué)習(xí)的自監(jiān)督算法，包括SimCLR、MoCo v1/v2、Swav, Moby, DINO。也復(fù)現(xiàn)了基于mask image modeling的MAE算法。此外，我們提供了完善的benchmark工具，進行自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練模型在ImageNet上效果的評估。
基于體系化的自監(jiān)督算法和benchmark工具，用戶可以方便的進行模型改進，效果對比，進行模型創(chuàng)新。同時也可以基于自己的大量無標(biāo)注的數(shù)據(jù)，訓(xùn)練適合自己業(yè)務(wù)領(lǐng)域的更好的預(yù)訓(xùn)練模型。
下表展示了已有自監(jiān)督算法基于ImageNet數(shù)據(jù)預(yù)訓(xùn)練的速度和在ImageNet驗證集上linear eval/finetune的效果。
3 豐富的預(yù)訓(xùn)練模型庫
CNN作為主干網(wǎng)絡(luò)，配合各種下游任務(wù)的head，是CV模型常用的結(jié)構(gòu)。EasyCV提供了多種傳統(tǒng)的CNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括resnet、resnext、hrNet、darknet、inception、mobilenet、genet、mnasnet等。隨著視覺Transformer的發(fā)展，Transformer在越來越多的領(lǐng)域替代CNN，成為表達能力更強的主干網(wǎng)絡(luò)。框架實現(xiàn)了常用的ViT、SwinTransformer等， 同時引入了PytorchImageModel(Timm) 用于支持更為全面的Transformer結(jié)構(gòu)。
結(jié)合自監(jiān)督算法，所有的模型支持自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練和ImageNet數(shù)據(jù)監(jiān)督訓(xùn)練，為用戶提供了豐富的預(yù)訓(xùn)練backbone，用戶可以在框架預(yù)置的下游任務(wù)中簡單配置進行使用，同時也可以接入自定義的下游任務(wù)中。
4 易用性
1. 框架提供參數(shù)化方式和python api接口啟動訓(xùn)練、評估、模型導(dǎo)出，并且提供了完備的預(yù)測接口支持端到端推理。
API方式
推理示例
2. 框架目前focus在high-level視覺任務(wù)，針對分類檢測分割三大任務(wù)，基于內(nèi)容風(fēng)控、智能零售、智能監(jiān)控、同圖匹配、商品類目預(yù)測、商品檢測、商品屬性識別、工業(yè)質(zhì)檢等應(yīng)用場景，基于阿里巴巴內(nèi)部的業(yè)務(wù)實踐和服務(wù)阿里云外部客戶的經(jīng)驗，篩選復(fù)現(xiàn)效果SOTA算法，提供預(yù)訓(xùn)練模型，打通訓(xùn)練、推理以及端側(cè)部署流程， 方便用戶進行各個場景應(yīng)用的定制化開發(fā)。例如在檢測領(lǐng)域，我們復(fù)現(xiàn)了YOLOX算法，集成了PAI-Blade的剪枝、量化等模型壓縮功能，并能導(dǎo)出MNN模型進行端側(cè)部署，詳細(xì)可以參考模型壓縮量化tutorial。
5 可擴展性
1、如技術(shù)架構(gòu)圖右側(cè)所示，所有的模塊都支持注冊、通過配置文件配置使用Builder自動創(chuàng)建，這就使得各個模塊可以通過配置進行靈活的組合、替換。下面以model和evaluator配置為例，用戶可以簡單的通過配置文件修改切換不同的backbone，不同的分類head進行模型結(jié)構(gòu)調(diào)整。在評估方面支持用戶指定多個數(shù)據(jù)集，使用不同evaluator進行多指標(biāo)評估。
2、基于注冊機制，用戶可以自行編寫定制化的neck、head、data pipeline, evaluator等模塊，快速注冊到框架內(nèi)，通過配置文件指定type字段進行創(chuàng)建和調(diào)用。
配置文件如下
6 高性能
訓(xùn)練方面，支持多機多卡、fp16加速訓(xùn)練、評估。
此外，針對特定任務(wù)，框架會做針對性優(yōu)化，例如自監(jiān)督訓(xùn)練需要使用大量小圖片進行預(yù)訓(xùn)練，EasyCV使用tfrecord格式數(shù)據(jù)對小文件進行封裝，使用DALI對預(yù)處理進行GPU加速，提升訓(xùn)練優(yōu)化性能。下圖是使用DALI+TFrecord格式進行訓(xùn)練，和原始圖片訓(xùn)練的性能對比。
四 應(yīng)用場景
如開篇所述，EasyCV支撐了阿里巴巴集團內(nèi)10+BU20+業(yè)務(wù)，同時通過平臺化組件的方式滿足了云上客戶定制化模型、解決業(yè)務(wù)問題的需求。
例如某BU使用業(yè)務(wù)圖庫100w圖片進行自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練， 在預(yù)訓(xùn)練模型基礎(chǔ)上進行下游任務(wù)finetune，達到最佳效果，比baseline模型效果提升1%。多位BU的同學(xué)使用自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練模型進行特征抽取，利用對比學(xué)習(xí)的特性，使用圖像特征進行同圖匹配的任務(wù)，與此同時，我們在公有云上也推出了相似圖匹配的解決方案。
針對公有云用戶，對于入門級用戶，打通數(shù)據(jù)標(biāo)注、模型訓(xùn)練、服務(wù)部署鏈路，打造順滑的開箱即用的用戶體驗，涵蓋圖像分類、物體檢測、實例分割、語義分割、關(guān)鍵點檢測等領(lǐng)域的算法，用戶只需要指定數(shù)據(jù)，簡單調(diào)參即可完成模型訓(xùn)練，通過一鍵部署即可完成在線服務(wù)拉起。針對高級開發(fā)者，提供了notebook開發(fā)環(huán)境，云原生集群訓(xùn)練調(diào)度的支持，支持用戶使用框架進行定制化算法開發(fā)，使用預(yù)置的預(yù)訓(xùn)練模型進行finetune。
· 公有云某客戶利用物體檢測組件定制化模型訓(xùn)練，完成其業(yè)務(wù)場景工人安裝是否合格的智能審核。
· 某推薦用戶使用自監(jiān)督訓(xùn)練組件，使用其大量的無標(biāo)注廣告圖片，訓(xùn)練圖像表征模型，進而把圖像特征接入推薦模型，結(jié)合推薦模型優(yōu)化，ctr提升10+%。
· 某面板研發(fā)廠商基于EasyCV定制化瑕疵檢測模型，完成云端訓(xùn)練、端側(cè)部署推理。
五 Roadmap
后續(xù)我們計劃每個月發(fā)布Release版本。近期的Roadmap如下：
· Transformer 分類任務(wù)訓(xùn)練性能優(yōu)化 & benchmark
· 自監(jiān)督學(xué)習(xí)增加檢測&分割benchmark
· 開發(fā)更多基于Transformer的下游任務(wù)，檢測 & 分割
· 常用圖像任務(wù)數(shù)據(jù)集下載、訓(xùn)練訪問接口支持
· 模型推理優(yōu)化功能接入
· 更多領(lǐng)域模型的端側(cè)部署支持
此外，在中長期，我們在下面幾個探索性的方向上會持續(xù)投入精力，也歡迎各種維度的反饋和改進建議以及技術(shù)討論，同時我們十分歡迎和期待對開源社區(qū)建設(shè)感興趣的同行一起參與共建。
· 自監(jiān)督技術(shù)和Transformer結(jié)合，探索更高效的預(yù)訓(xùn)練模型
· 輕量化Transformer，基于訓(xùn)練推理的聯(lián)合優(yōu)化，推動Transformer在實際業(yè)務(wù)場景落地
· 基于多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練，探索統(tǒng)一的transformer在視覺high-level 多任務(wù)上的應(yīng)用
項目開源地址：https://github.com/alibaba/EasyCV
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