MXNet API 入门 —第 1 篇

MXNet 教程

这一系列文章将概括介绍深度学习库 MXNet ，将介绍该库的主要功能及其 Python API（可能会成为该库的首选 API）。随后还将提供一些有关 MXNet 的在线教程和笔记，希望能帮助大家更好地理解这项技术！

如果希望进一步了解 MXNet 的原理和架构，推荐阅读这篇论文：“MXNet：适用于异构分布式系统，灵活高效的机器学习库”。本文将介绍这篇论文涉及的大部分概念，不过会尽量以更浅显易懂的方式进行介绍。

本文将尽可能清晰直白地讲解，但你需要对数学和基本术语有一定了解，本文不会（刻意）从最基础的内容讲起。这一系列文章不会让你变成该领域的专家（我自己都还不是专家），本文目的在于帮你更好地理解如何为自己的应用添加深度学习能力。

在本地运行MXNet

首先最重要的事：MXNet 的安装。本文不会详细介绍安装方法，只会介绍一些技巧。

MXNet 最酷的功能之一在于，可以在 CPU 和 GPU 上实现完全相同的运行效果（下文将介绍如何针对具体运算选择运行位置）。这意味着就算你的计算机不具备 Nvidia GPU（例如我的 MacBook），依然可以编写并运行 MXNet 代码，并放在具备 GPU 的系统中使用。

如果你的计算机带有符合要求的 GPU 也更好，但还需要安装 CUDA 和 cuDNN 工具包，大部分情况下这一过程犹如一场噩梦。就算 MXNet 二进制文件和 Nvidia 工具之间存在哪怕最轻微的不兼容问题，也会导致安装失败无法使用。

因此我个人强烈建议你使用 MXNet 网站提供的 Docker 镜像：一个针对 CPU 环境，另一个针对 GPU 环境（要求具备 nvidia-docker ）。这些镜像包含预安装的所有必要组件，可以帮助用户更快速投入使用。

 
sudo -H pip install mxnet  --upgrade
python
>>> import mxnet as mx
>>> mx.__version__
'0.9.3a3'

另外值得一提的是，这个 Docker 镜像提供的 Python 程序包似乎比通过“pip”方式获得的版本更新一些。

 
docker run -it  mxnet/python
root@88a5fe9c8def:/# python
>>> import mxnet as mx
>>> mx.__version__
'0.9.5'

通过 AWS 运行 MXNet

AWS 提供了适用于 Linux 和 Ubuntu 的深度学习 AMI (Amazon Machine Image)。这些 AMI 包含预安装的各种深度学习框架（MXNet 是其中之一），此外还包含 Nvidia 工具以及其他工具。无需配置立即可用。

 
====================================================================
      __|  __|_  )
      _|  (     /   Deep Learning AMI for Amazon Linux
     ___|\___|___|
====================================================================
[ec2-user@ip-172-31-42-173 ~]$ nvidia-smi -L
GPU 0: GRID K520 (UUID: GPU-d470337d-b59b-ca2a-fe6d-718f0faf2153)
[ec2-user@ip-172-31-42-173 ~]$ python
>>> import mxnet as mx
>>> mx.__version__
'0.9.3'

我们可以在常规实例或 GPU 实例上运行这种 AMI。如果你的计算机未配备 Nvidia GPU，那么在稍后启动训练网络后这一特性就会显得很实用：成本最低的选项是使用每小时价格仅为 0.65 美元的g2.2xlarge实例。

因此目前，继续按照老派的做法使用 CPU 就够了！一起开始吧。

为何说 NDArrays 很重要

我们要介绍的第一类 MXNet API 是NDArray API。NDArray 是一种n 维阵列，其中可包含类型与大小完全一致的项（32 位浮点、32 位整数等）。

这种阵列为何重要？之前的一篇文章中进行过解释：神经网络的训练和运行会涉及大量数学运算，此时将使用多维阵列来存储数据。

输入数据，神经元进行权值，随后输出的数据存储至向量和矩阵（Matrice）中，因此自然而然就产生了这种类型的构造。

用一个简单的例子来类比一下：图片分类。下图代表一个手写的数字“8”，图片规格为 18x18 像素。

数字“8”，18x18 像素

这个图片可以看作是一个 18x18 的矩阵，其中每个单元代表了对应像素的灰度值：“0”代表白色，“255”代表黑色，介于两者之间的值代表 254 级灰度。我们正是通过这种矩阵化的呈现训练神经网络对从 0 到 9 的数字进行分类的。

一个 18x18 的矩阵，代表了上述图片的灰度值

假设我们用彩色图片取代灰度图片。这样每个图片将需要用 3 个矩阵来表示，每种颜色对应一个矩阵，此时输入的数据会变得略微复杂一些。

接着更进一步，假设为了实现无人驾驶需要进行实时图片识别：为了能通过高质量的实时数据做决策，我们会使用 1000x1000 像素的 RGB 图片，并且每秒钟需要识别 30 帧。每一秒，都需要处理 90 个 1000x1000 的矩阵（30 帧 x3 色）。如果每个像素用一个 32 位值表示，那就是 90x1000x1000x4 字节，大约 343 兆字节。如果用到了多个摄像头，数据量还会进一步激增。

对神经网络来说这个数据量已经很大了：为了获得最优性能（例如最小延迟），GPU 并不会逐张处理图片，而是会偏批量处理。如果批的大小为 8，我们的神经网络将以 1000x1000x24 的块为单位处理输入的数据，也就是以三原色代表的 8 张 1000x1000 像素图片组成的三维阵列。

底线：最起码需要理解 NDArrays :) 这是神经网络的基础，并且我们的大部分数据都会存储为这种形式。

NDArray API

了解了 NDArrays 的重要性后，再来看看工作方式（没错，终于开始讲代码了！）。如果你曾用过 numpy 这个 Python 库会更好理解：NDArrays 与其极为类似，并且你可能已经熟悉其中的大部分 API，完整文档可参阅这里。

首先从最基础的开始。这就不需要过多解释了吧 :)

 
>>> a = mx.nd.array([[1,2,3], [4,5,6]])
>>> a.size
6
>>> a.shape
(2L, 3L)
>>> a.dtype
<type 'numpy.float32'>

默认情况下，一个 NDArray 可以保存 32 位浮点，不过这个大小可以调整。

 
>>> import numpy as np
>>> b = mx.nd.array([[1,2,3], [2,3,4]], dtype=np.int32)
>>> b.dtype

NDArray 的打印很简单，这样：

 
>>> b.asnumpy()
array([[1, 2, 3],
      [2, 3, 4]], dtype=int32)

NDArray 支持所有需要的数学运算，例如可以试试看进行一个面向元素的矩阵乘法：

 
>>> a = mx.nd.array([[1,2,3], [4,5,6]])
>>> b = a*a
>>> b.asnumpy()
array([[  1.,   4.,   9.],
      [ 16.,  25.,  36.]], dtype=float32)

再来个严格意义上的矩阵乘法（又叫“点积”）怎么样？

 
>>> a = mx.nd.array([[1,2,3], [4,5,6]])
>>> a.shape
(2L, 3L)
>>> a.asnumpy()
array([[ 1.,  2.,  3.],
      [ 4.,  5.,  6.]], dtype=float32)
>>> b = a.T
>>> b.shape
(3L, 2L)
>>> b.asnumpy()
array([[ 1.,  4.],
      [ 2.,  5.],
      [ 3.,  6.]], dtype=float32)
>>> c = mx.nd.dot(a,b)
>>> c.shape
(2L, 2L)
>>> c.asnumpy()
array([[ 14.,  32.],
      [ 32.,  77.]], dtype=float32)

接着再来试试一些更复杂的运算：

• 初始化一个均匀分布的 1000x1000 矩阵并存储在 GPU#0（此处使用了一个 g2 实例）。
• 初始化另一个正态分布的 1000x1000 矩阵（均值为 1，标准差为 2），也存储在 GPU#0。

 
>>> c = mx.nd.uniform(low=0, high=1, shape=(1000,1000), ctx="gpu(0)")
>>> d = mx.nd.normal(loc=1, scale=2, shape=(1000,1000), ctx="gpu(0)")
>>> e = mx.nd.dot(c,d)

别忘了，MXNet 可以在 CPU 和 GPU 上实现一致的运行结果。这就是个很棒的例子：只要将上述代码中的“gpu(0)”替换为“cpu(0)”，就可以通过 CPU 运行这个点积。

至此你应该可以开始与 NDArray 一起游戏了。我们还可以用其他更高级的函数（FullyConnected 等）来构建神经网络，这些内容等真正开始介绍神经网络的时候再说。

今天要讲的就是这些。下篇文章将要介绍 Symbol API，通过它我们可以定义数据流，而这才是神经网络最重要的部分。感谢阅读，还请继续关注。

后续内容：

- 第 2 篇：Symbol API

- 第 3 篇：Module API

- 第 4 篇：使用预训练模型进行图片分类（Inception v3）

- 第 5 篇：进一步了解预训练模型（VGG16 和 ResNet-152）

- 第 6 篇：通过树莓派进行实时物体检测（并让它讲话！）

作者： Julien Simon ，阅读英文原文： An introduction to the MXNet API?—?part 1

感谢杜小芳对本文的审校。

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