tensorflow实战笔记（19）----使用freeze_graph.py将ckpt转为pb文件

一、作用：

https://blog.csdn.net/yjl9122/article/details/78341689

这节是关于tensorflow的Freezing，字面意思是冷冻，可理解为整合合并；整合什么呢，就是将模型文件和权重文件整合合并为一个文件，主要用途是便于发布。
官方解释可参考：https://www.tensorflow.org/extend/tool_developers/#freezing
这里我按我的理解翻译下，不对的地方请指正：
有一点令我们为比较困惑的是，tensorflow在训练过程中，通常不会将权重数据保存的格式文件里（这里我理解是模型文件），反而是分开保存在一个叫checkpoint的检查点文件里，当初始化时，再通过模型文件里的变量Op节点来从checkoupoint文件读取数据并初始化变量。这种模型和权重数据分开保存的情况，使得发布产品时不是那么方便，所以便有了freeze_graph.py脚本文件用来将这两文件整合合并成一个文件。
freeze_graph.py是怎么做的呢？首行它先加载模型文件，再从checkpoint文件读取权重数据初始化到模型里的权重变量，再将权重变量转换成权重 常量 （因为 常量 能随模型一起保存在同一个文件里），然后再通过指定的输出节点将没用于输出推理的Op节点从图中剥离掉，再重新保存到指定的文件里（用write_graphdef或Saver）

文件目录：tensorflow/python/tools/free_graph.py
测试文件：tensorflow/python/tools/free_graph_test.py 这个测试文件很有学习价值
参数：
总共有11个参数，一个个介绍下(必选： 表示必须有值；可选： 表示可以为空)：
1、input_graph：（必选）模型文件，可以是二进制的pb文件，或文本的meta文件，用input_binary来指定区分（见下面说明）
2、input_saver：（可选）Saver解析器。保存模型和权限时，Saver也可以自身序列化保存，以便在加载时应用合适的版本。主要用于版本不兼容时使用。可以为空，为空时用当前版本的Saver。
3、input_binary：（可选）配合input_graph用，为true时，input_graph为二进制，为false时，input_graph为文件。默认False
4、input_checkpoint：（必选）检查点数据文件。训练时，给Saver用于保存权重、偏置等变量值。这时用于模型恢复变量值。
5、output_node_names：（必选）输出节点的名字，有多个时用逗号分开。用于指定输出节点，将没有在输出线上的其它节点剔除。
6、restore_op_name：（可选）从模型恢复节点的名字。升级版中已弃用。默认：save/restore_all
7、filename_tensor_name：（可选）已弃用。默认：save/Const:0
8、output_graph：（必选）用来保存整合后的模型输出文件。
9、clear_devices：（可选），默认True。指定是否清除训练时节点指定的运算设备（如cpu、gpu、tpu。cpu是默认）
10、initializer_nodes：（可选）默认空。权限加载后，可通过此参数来指定需要初始化的节点，用逗号分隔多个节点名字。
11、variable_names_blacklist：（可先）默认空。变量黑名单，用于指定不用恢复值的变量，用逗号分隔多个变量名字。
用法：
例：python tensorflow/python/tools/free_graph.py
–input_graph=some_graph_def.pb 注意：这里的pb文件是用tf.train.write_graph方法保存的
–input_checkpoint=model.ckpt.1001 注意：这里若是r12以上的版本，只需给.data-00000….前面的文件名，如：model.ckpt.1001.data-00000-of-00001，只需写model.ckpt.1001
–output_graph=/tmp/frozen_graph.pb
–output_node_names=softmax

另外，如果模型文件是.meta格式的，也就是说用saver.Save方法和checkpoint一起生成的元模型文件，free_graph.py不适用，但可以改造下：
1、copy free_graph.py为free_graph_meta.py
2、修改free_graph.py，导入meta_graph：from tensorflow.python.framework import meta_graph
3、将91行到97行换成：input_graph_def = meta_graph.read_meta_graph_file(input_graph).graph_def

这样改即可加载meta文件

二、代码：

https://blog.csdn.net/u012426298/article/details/85935946

两步：

CKPT 转换成 PB格式

pb模型预测

1、CKPT 转换成 PB格式

 将CKPT 转换成 PB格式的文件的过程可简述如下：

通过传入 CKPT 模型的路径得到模型的图和变量数据
通过 import_meta_graph 导入模型中的图
通过 saver.restore 从模型中恢复图中各个变量的数据
通过 graph_util.convert_variables_to_constants 将模型持久化【变成常量，这样才能将变量和模型图一起存储】
 下面的CKPT 转换成 PB格式例子，是我训练GoogleNet InceptionV3模型保存的ckpt转pb文件的例子，训练过程可参考博客：《使用自己的数据集训练GoogLenet InceptionNet V1 V2 V3模型（TensorFlow）》：

    def freeze_graph(input_checkpoint,output_graph):
        '''
        :param input_checkpoint:
        :param output_graph: PB模型保存路径
        :return:
        '''
        # checkpoint = tf.train.get_checkpoint_state(model_folder) #检查目录下ckpt文件状态是否可用
        # input_checkpoint = checkpoint.model_checkpoint_path #得ckpt文件路径
     
        # 指定输出的节点名称,该节点名称必须是原模型中存在的节点
        output_node_names = "InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze"
        saver = tf.train.import_meta_graph(input_checkpoint + '.meta', clear_devices=True)
        graph = tf.get_default_graph() # 获得默认的图
        input_graph_def = graph.as_graph_def()  # 返回一个序列化的图代表当前的图
     
        with tf.Session() as sess:
            saver.restore(sess, input_checkpoint) #恢复图并得到数据
            output_graph_def = graph_util.convert_variables_to_constants(  # 模型持久化，将变量值固定
                sess=sess,
                input_graph_def=input_graph_def,# 等于:sess.graph_def
                output_node_names=output_node_names.split(","))# 如果有多个输出节点，以逗号隔开
     
            with tf.gfile.GFile(output_graph, "wb") as f: #保存模型
                f.write(output_graph_def.SerializeToString()) #序列化输出
            print("%d ops in the final graph." % len(output_graph_def.node)) #得到当前图有几个操作节点
     
            # for op in graph.get_operations():
            #     print(op.name, op.values())

说明：

1、函数freeze_graph中，最重要的就是要确定“指定输出的节点名称”，这个节点名称必须是原模型中存在的节点，对于freeze操作，我们需要定义输出结点的名字。因为网络其实是比较复杂的，定义了输出结点的名字，那么freeze的时候就只把输出该结点所需要的子图都固化下来，其他无关的就舍弃掉。因为我们freeze模型的目的是接下来做预测。所以，output_node_names一般是网络模型最后一层输出的节点名称，或者说就是我们预测的目标。

 2、在保存的时候，通过convert_variables_to_constants函数来指定需要固化的节点名称，对于鄙人的代码，需要固化的节点只有一个：output_node_names。注意节点名称与张量的名称的区别，例如：“input:0”是张量的名称，而"input"表示的是节点的名称。

3、源码中通过graph = tf.get_default_graph()获得默认的图，这个图就是由saver = tf.train.import_meta_graph(input_checkpoint + '.meta', clear_devices=True)恢复的图，因此必须先执行tf.train.import_meta_graph，再执行tf.get_default_graph() 。

4、实质上，我们可以直接在恢复的会话sess中，获得默认的网络图，更简单的方法，如下：

def freeze_graph(input_checkpoint,output_graph):
    '''
    :param input_checkpoint:
    :param output_graph: PB模型保存路径
    :return:
    '''
    # checkpoint = tf.train.get_checkpoint_state(model_folder) #检查目录下ckpt文件状态是否可用
    # input_checkpoint = checkpoint.model_checkpoint_path #得ckpt文件路径
 
    # 指定输出的节点名称,该节点名称必须是原模型中存在的节点
    output_node_names = "InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze"
    saver = tf.train.import_meta_graph(input_checkpoint + '.meta', clear_devices=True)
 
    with tf.Session() as sess:
        saver.restore(sess, input_checkpoint) #恢复图并得到数据
        output_graph_def = graph_util.convert_variables_to_constants(  # 模型持久化，将变量值固定
            sess=sess,
            input_graph_def=sess.graph_def,# 等于:sess.graph_def
            output_node_names=output_node_names.split(","))# 如果有多个输出节点，以逗号隔开
 
        with tf.gfile.GFile(output_graph, "wb") as f: #保存模型
            f.write(output_graph_def.SerializeToString()) #序列化输出
        print("%d ops in the final graph." % len(output_graph_def.node)) #得到当前图有几个操作节点

调用freeze_graph方法：

调用方法很简单，输入ckpt模型路径，输出pb模型的路径即可：

    # 输入ckpt模型路径
    input_checkpoint='models/model.ckpt-10000'
    # 输出pb模型的路径
    out_pb_path="models/pb/frozen_model.pb"
    # 调用freeze_graph将ckpt转为pb
    freeze_graph(input_checkpoint,out_pb_path)
5、上面以及说明：在保存的时候，通过convert_variables_to_constants函数来指定需要固化的节点名称，对于鄙人的代码，需要固化的节点只有一个：output_node_names。因此，其他网络模型，也可以通过简单的修改输出的节点名称output_node_names，将ckpt转为pb文件 。

       PS：注意节点名称，应包含name_scope 和 variable_scope命名空间，并用“/”隔开，如"InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze"

2、 pb模型预测
    下面是预测pb模型的代码：

def freeze_graph_test(pb_path, image_path):
    '''
    :param pb_path:pb文件的路径
    :param image_path:测试图片的路径
    :return:
    '''
    with tf.Graph().as_default():
        output_graph_def = tf.GraphDef()
        with open(pb_path, "rb") as f:
            output_graph_def.ParseFromString(f.read())
            tf.import_graph_def(output_graph_def, name="")
        with tf.Session() as sess:
            sess.run(tf.global_variables_initializer())
 
            # 定义输入的张量名称,对应网络结构的输入张量
            # input:0作为输入图像,keep_prob:0作为dropout的参数,测试时值为1,is_training:0训练参数
            input_image_tensor = sess.graph.get_tensor_by_name("input:0")
            input_keep_prob_tensor = sess.graph.get_tensor_by_name("keep_prob:0")
            input_is_training_tensor = sess.graph.get_tensor_by_name("is_training:0")
 
            # 定义输出的张量名称
            output_tensor_name = sess.graph.get_tensor_by_name("InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze:0")
 
            # 读取测试图片
            im=read_image(image_path,resize_height,resize_width,normalization=True)
            im=im[np.newaxis,:]
            # 测试读出来的模型是否正确，注意这里传入的是输出和输入节点的tensor的名字，不是操作节点的名字
            # out=sess.run("InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze:0", feed_dict={'input:0': im,'keep_prob:0':1.0,'is_training:0':False})
            out=sess.run(output_tensor_name, feed_dict={input_image_tensor: im,
                                                        input_keep_prob_tensor:1.0,
                                                        input_is_training_tensor:False})
            print("out:{}".format(out))
            score = tf.nn.softmax(out, name='pre')
            class_id = tf.argmax(score, 1)
            print "pre class_id:{}".format(sess.run(class_id))

说明：

1、与ckpt预测不同的是，pb文件已经固化了网络模型结构，因此，即使不知道原训练模型（train）的源码，我们也可以恢复网络图，并进行预测。恢复模型十分简单，只需要从读取的序列化数据中导入网络结构即可：

tf.import_graph_def(output_graph_def, name="")
2、但必须知道原网络模型的输入和输出的节点名称（当然了，传递数据时，是通过输入输出的张量来完成的）。由于InceptionV3模型的输入有三个节点，因此这里需要定义输入的张量名称，它对应网络结构的输入张量：

input_image_tensor = sess.graph.get_tensor_by_name("input:0")
input_keep_prob_tensor = sess.graph.get_tensor_by_name("keep_prob:0")
input_is_training_tensor = sess.graph.get_tensor_by_name("is_training:0")
以及输出的张量名称：

output_tensor_name = sess.graph.get_tensor_by_name("InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze:0")
3、预测时，需要feed输入数据：

# 测试读出来的模型是否正确，注意这里传入的是输出和输入节点的tensor的名字，不是操作节点的名字
# out=sess.run("InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze:0", feed_dict={'input:0': im,'keep_prob:0':1.0,'is_training:0':False})
out=sess.run(output_tensor_name, feed_dict={input_image_tensor: im,
                                            input_keep_prob_tensor:1.0,
                                            input_is_training_tensor:False})
 4、其他网络模型预测时，也可以通过修改输入和输出的张量的名称 。

       PS：注意张量的名称，即为：节点名称+“:”+“id号”，如"InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze:0"

完整的CKPT 转换成 PB格式和预测的代码如下：

# -*-coding: utf-8 -*-
"""
    @Project: tensorflow_models_nets
    @File   : convert_pb.py
    @Author : panjq
    @E-mail : pan_jinquan@163.com
    @Date   : 2018-08-29 17:46:50
    @info   :
    -通过传入 CKPT 模型的路径得到模型的图和变量数据
    -通过 import_meta_graph 导入模型中的图
    -通过 saver.restore 从模型中恢复图中各个变量的数据
    -通过 graph_util.convert_variables_to_constants 将模型持久化
"""
 
import tensorflow as tf
from create_tf_record import *
from tensorflow.python.framework import graph_util
 
resize_height = 299  # 指定图片高度
resize_width = 299  # 指定图片宽度
depths = 3
 
def freeze_graph_test(pb_path, image_path):
    '''
    :param pb_path:pb文件的路径
    :param image_path:测试图片的路径
    :return:
    '''
    with tf.Graph().as_default():
        output_graph_def = tf.GraphDef()
        with open(pb_path, "rb") as f:
            output_graph_def.ParseFromString(f.read())
            tf.import_graph_def(output_graph_def, name="")
        with tf.Session() as sess:
            sess.run(tf.global_variables_initializer())
 
            # 定义输入的张量名称,对应网络结构的输入张量
            # input:0作为输入图像,keep_prob:0作为dropout的参数,测试时值为1,is_training:0训练参数
            input_image_tensor = sess.graph.get_tensor_by_name("input:0")
            input_keep_prob_tensor = sess.graph.get_tensor_by_name("keep_prob:0")
            input_is_training_tensor = sess.graph.get_tensor_by_name("is_training:0")
 
            # 定义输出的张量名称
            output_tensor_name = sess.graph.get_tensor_by_name("InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze:0")
 
            # 读取测试图片
            im=read_image(image_path,resize_height,resize_width,normalization=True)
            im=im[np.newaxis,:]
            # 测试读出来的模型是否正确，注意这里传入的是输出和输入节点的tensor的名字，不是操作节点的名字
            # out=sess.run("InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze:0", feed_dict={'input:0': im,'keep_prob:0':1.0,'is_training:0':False})
            out=sess.run(output_tensor_name, feed_dict={input_image_tensor: im,
                                                        input_keep_prob_tensor:1.0,
                                                        input_is_training_tensor:False})
            print("out:{}".format(out))
            score = tf.nn.softmax(out, name='pre')
            class_id = tf.argmax(score, 1)
            print "pre class_id:{}".format(sess.run(class_id))
 
 
def freeze_graph(input_checkpoint,output_graph):
    '''
    :param input_checkpoint:
    :param output_graph: PB模型保存路径
    :return:
    '''
    # checkpoint = tf.train.get_checkpoint_state(model_folder) #检查目录下ckpt文件状态是否可用
    # input_checkpoint = checkpoint.model_checkpoint_path #得ckpt文件路径
 
    # 指定输出的节点名称,该节点名称必须是原模型中存在的节点
    output_node_names = "InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze"
    saver = tf.train.import_meta_graph(input_checkpoint + '.meta', clear_devices=True)
 
    with tf.Session() as sess:
        saver.restore(sess, input_checkpoint) #恢复图并得到数据
        output_graph_def = graph_util.convert_variables_to_constants(  # 模型持久化，将变量值固定
            sess=sess,
            input_graph_def=sess.graph_def,# 等于:sess.graph_def
            output_node_names=output_node_names.split(","))# 如果有多个输出节点，以逗号隔开
 
        with tf.gfile.GFile(output_graph, "wb") as f: #保存模型
            f.write(output_graph_def.SerializeToString()) #序列化输出
        print("%d ops in the final graph." % len(output_graph_def.node)) #得到当前图有几个操作节点
 
        # for op in sess.graph.get_operations():
        #     print(op.name, op.values())
 
def freeze_graph2(input_checkpoint,output_graph):
    '''
    :param input_checkpoint:
    :param output_graph: PB模型保存路径
    :return:
    '''
    # checkpoint = tf.train.get_checkpoint_state(model_folder) #检查目录下ckpt文件状态是否可用
    # input_checkpoint = checkpoint.model_checkpoint_path #得ckpt文件路径
 
    # 指定输出的节点名称,该节点名称必须是原模型中存在的节点
    output_node_names = "InceptionV3/Logits/SpatialSqueeze"
    saver = tf.train.import_meta_graph(input_checkpoint + '.meta', clear_devices=True)
    graph = tf.get_default_graph() # 获得默认的图
    input_graph_def = graph.as_graph_def()  # 返回一个序列化的图代表当前的图
 
    with tf.Session() as sess:
        saver.restore(sess, input_checkpoint) #恢复图并得到数据
        output_graph_def = graph_util.convert_variables_to_constants(  # 模型持久化，将变量值固定
            sess=sess,
            input_graph_def=input_graph_def,# 等于:sess.graph_def
            output_node_names=output_node_names.split(","))# 如果有多个输出节点，以逗号隔开
 
        with tf.gfile.GFile(output_graph, "wb") as f: #保存模型
            f.write(output_graph_def.SerializeToString()) #序列化输出
        print("%d ops in the final graph." % len(output_graph_def.node)) #得到当前图有几个操作节点
 
        # for op in graph.get_operations():
        #     print(op.name, op.values())
 
 
if __name__ == '__main__':
    # 输入ckpt模型路径
    input_checkpoint='models/model.ckpt-10000'
    # 输出pb模型的路径
    out_pb_path="models/pb/frozen_model.pb"
    # 调用freeze_graph将ckpt转为pb
    freeze_graph(input_checkpoint,out_pb_path)
 
    # 测试pb模型
    image_path = 'test_image/animal.jpg'
    freeze_graph_test(pb_path=out_pb_path, image_path=image_path)