用Java玩转深度学习：DJL实战指南

深度学习模型大多用Python开发，而服务端却多用Java，导致许多开发者不得不使用Java调用Python接口，效率低下且不够优雅。更糟糕的是，如果想在Android上进行推理，就必须使用Java。

别担心！现在，我们可以用Java直接进行深度学习了！DJL（Deep Java Library）是一个强大的开源深度学习框架，它支持模型构建、训练、推理，甚至在Android上运行。本文将带你深入了解DJL，并通过一个实战案例，教你用Java加载PyTorch模型进行图片分类。

DJL：Java深度学习的利器

DJL 的出现，为Java开发者打开了深度学习的大门。它提供了一套简洁易用的API，让Java开发者能够轻松地构建、训练和部署深度学习模型。

DJL 的优势：

Java 开发： 使用熟悉的 Java 语言进行深度学习开发，无需学习其他语言。
跨平台支持： 支持 Windows、Linux、macOS 和 Android 等多种平台。
GPU 加速： 支持 GPU 加速，提升模型训练和推理速度。
模型兼容性： 支持多种深度学习框架，包括 PyTorch、TensorFlow 和 MXNet。

DJL 核心 API 解密

DJL 的核心 API 包括 Criteria、Translator 和 NDArray，它们共同构成了深度学习模型的构建和操作基础。

1. Criteria：模型的定义

Criteria 类对象定义了模型的属性，例如模型路径、输入和输出类型等。

Criteria<Input, Output> criteria = Criteria.builder()
        .setTypes(Input.class, Output.class) // 定义输入和输出数据类型
        .optTranslator(new InputOutputTranslator()) // 设置输入输出转换器
        .optModelPath(Paths.get("/var/models/my_resnet50")) // 指定模型路径
        .optModelName("model/resnet50") // 指定模型文件前缀
        .build();

ZooModel<Image, Classifications> model = criteria.loadModel();

这段代码定义了一个名为 "resnet50" 的模型，并加载了它。

2. Translator：数据转换桥梁

Translator 接口定义了如何将自定义的输入输出类转换为 Tensor 类型。

private Translator<Input, Output> translator = new Translator<Input, Output>() {

    @Override
    public NDList processInput(TranslatorContext ctx, Input input) throws Exception {
        return null;
    }

    @Override
    public Output processOutput(TranslatorContext ctx, NDList ndList) throws Exception {
        return null;
    }
};

Translator 接口包含两个方法：

processInput： 将输入类对象转换为 Tensor。
processOutput： 将模型输出的 Tensor 转换为自定义类。

3. NDArray：Tensor 操作的利器

NDArray 类类似于 Python 中的 NumPy 数组，它提供了丰富的 Tensor 操作功能。

NDManager ndManager = NDManager.newBaseManager(); // 创建 NDManager 对象
NDArray ndArray = ndManager.create(new Shape(1, 2, 3, 4)); // 创建一个 Shape 为 (1, 2, 3, 4) 的 Tensor

DJL 提供了多种 NDArray 操作，例如：

创建 NDArray
变更数据类型
运算（加减乘除）
切片
赋值
翻转

实战：用 DJL 加载 PyTorch 模型进行图片分类

下面，我们将使用 PyTorch 提供的 ResNet18 模型进行图片分类。

步骤：

引入依赖： 在项目的 pom.xml 文件中添加 DJL 的依赖。
导出 PyTorch 模型： 使用 Python 将 ResNet18 模型保存为 TorchScript 模型。
创建 Translator： 定义输入为图片路径，输出为类别。
定义 Criteria： 定义模型路径、输入输出类型和 Translator。
实例化模型： 使用 Criteria 加载模型。
创建 Predictor： 使用模型创建 Predictor 对象。
进行预测： 使用 Predictor 对图片进行分类。

代码示例：

// ... (引入依赖)

// 创建 Translator
Translator<String, String> translator = new Translator<String, String>() {

    @Override
    public NDList processInput(TranslatorContext ctx, String input) throws Exception {
        // ... (读取图片，进行预处理)
        return new NDList(ndArray);
    }

    @Override
    public String processOutput(TranslatorContext ctx, NDList list) throws Exception {
        // ... (获取预测结果)
        return index + "";
    }
};

// 定义 Criteria
Criteria<String, String> criteria = Criteria.builder()
        .setTypes(String.class, String.class)
        .optModelPath(Paths.get("model/traced_resnet_model.pt"))
        .optOption("mapLocation", "true")
        .optTranslator(translator)
        .build();

// 实例化模型
ZooModel model = criteria.loadModel();

// 创建 Predictor
Predictor predictor = model.newPredictor();

// 进行预测
System.out.println(predictor.predict("test/test.jpg"));

最终输出：

258 对应的类别为 Samoyed（萨摩耶），说明预测成功。

总结

DJL 为 Java 开发者提供了强大的深度学习能力，让我们能够使用 Java 语言进行模型构建、训练和推理。本文通过一个简单的图片分类案例，展示了如何使用 DJL 加载 PyTorch 模型进行预测。

参考文献：

希望本文能够帮助你快速入门 DJL，并开始你的 Java 深度学习之旅！