深度学习框架背景

深藏阁楼爱情的钟 2024-03-17 11:39 52阅读 0赞

## 深度学习框架背景 ##

**本文目录：**

一、深度学习框架概念

二、为何要用深度学习框架

三、掌握深度学习框架要做哪些准备

四、深度学习主要应用场景

五、常见深度学习框架的对比

六、深度学习框架在市场上的占比

七、中国深度学习开源框架状况

八、备注

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## 一、深度学习框架概念 ##

> 　　**深度学习框架（Deep Learning Framework）**是指一种能够支持人工神经网络进行搭建、训练、调试和部署的软件平台。
> 
> 　　它通过提供高效的算法实现、方便的数据处理工具、数据可视化和调试工具等方式，简化了深度学习任务的实现过程，让深度学习应用变得更加容易和高效。也就是说，深度学习框架为深度学习提供了一种快捷、可重复和可扩展的开发环境，帮助研究者和工程师们更快地研究和开发出复杂的深度学习模型。
> 
> 　　常见的深度学习框架有 TensorFlow、PyTorch、Caffe、Keras 等等。

深度学习基础框架图（网络）：

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## 二、为何要用深度学习框架 ##

如果您已经掌握了深度学习的核心算法，当然可以从头开始实现自己的神经网络模型。但是如果您需要实现更复杂的模型，如卷积神经网络（CNN）或循环神经网络（RNN）时，您会发现从头开始实现复杂模型是不切实际的，因此深度学习框架应运而生，它可以帮助您轻松实现您自己的神经网络。

深度学习框架可以帮助我们更轻松地构建、训练、测试和部署深度学习模型。

使用框架可以使开发人员专注于模型设计和实现，减少了手动编写底层代码的工作量。此外，框架往往具有一系列已经实现的算法和模型架构，可以帮助开发人员更快地实现模型并进行实验。

另外，框架还可以提供分布式训练、自动求导、GPU加速等功能，这些功能可以加速训练速度，缩短模型的设计和实现时间，加快模型迭代的速度。不需要手写CUDA 代码能跑GPU；

容易构建大的计算图（computational graphs）；

总之，使用深度学习框架可以极大地提高深度学习应用的开发效率和模型的准确率。

## 三、掌握深度学习框架要做哪些准备 ##

**要掌握深度学习框架，前期需要做以下准备：**

>  *  **基础数学知识**：深度学习涉及到很多数学知识，如线性代数、微积分等，需要对这些基础数学进行学习和掌握。
>  *  **Python编程语言**：深度学习框架大多使用Python编程语言，因此需要掌握Python编程语言，包括Python的语法、数据类型、函数等。
>  *  **数据处理和分析经验**：深度学习框架通常需要使用大量的数据进行训练和测试，因此需要掌握数据处理和分析技能。
>  *  **掌握深度学习基础知识**：深度学习框架是建立在深度学习理论基础之上的，因此需要先掌握深度学习基础知识，如神经网络、激活函数、损失函数、前向后向传播，梯度下降等算法；等。
>  *  **需要了解框架的基本原理**，学习并掌握框架的基本概念和用法。
>  *  **选择合适的深度学习框架**：根据不同的应用场景和需求，选择合适的深度学习框架进行学习和使用，如TensorFlow、PyTorch、Keras等。

## 四、深度学习主要应用场景 ##

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**深度学习主要应用场景包括但不限于：**

*  **计算机视觉**：深度学习在视觉识别、图像分类、物体检测、人脸识别等方面都取得了显著的进展。
 *  **图像识别和分类**：利用卷积神经网络（CNN）识别图像和对图像进行分类，例如人脸识别、车辆识别等。
 *  **自然语言处理**：深度学习在语音识别、机器翻译、情感分析、问答系统等方面都有广泛应用。利用循环神经网络（RNN）或长短期记忆网络（LSTM）进行文本分类、机器翻译、情感分析等自然语言处理任务。
 *  **语音识别**：利用递归神经网络（RNN）或卷积神经网络（CNN）进行语音识别，例如语音转文字。
 *  **智能交互**：利用深度学习模型实现智能问答、智能客服、智能助手等。
 *  **金融风控**：利用深度学习模型进行风险评估和欺诈检测等金融风控任务。如交易风险预测、信用评估等
 *  **声音处理**：深度学习在音频信号分析、语音合成、语音转换等方面也有应用。语音识别和自然语言处理（如语音助手、智能客服、机器翻译等）；
 *  **医疗健康**：深度学习在医学影像诊断、疾病预测、药物研发等方面也有应用。如医学影像诊断、疾病预测等；
 *  **自动驾驶**：深度学习在自动驾驶、智能交通等领域也有广泛应用。
 *  **游戏领域**：（如游戏智能AI）；
 *  **农业领域**：（如作物识别、病虫害预测等）；
 *  **工业领域**：（如机器人控制、瑕疵检测等）；
 *  **能源领域**：（如能源预测、降低能耗等）；
 *  **安防领域**：（如异常检测、恶意攻击识别等）。
 *  **推荐系统**：利用深度学习模型进行用户行为分析和个性化推荐。在推荐算法、广告推荐等方面也有广泛应用。
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**还有一些有意思的应用：**

*  **Face2Face：**由美国斯坦福大学开发的一款可以让视频里的人跟着你说话的软件，该软件能够识别一个人说话时的动作和表情，并把这重现在另一个人的脸上，秒变名人不是梦
 *  **Pix2pix：**基于对抗神经网络 (GAN) 实现的图像翻译。简而言之就是将一幅图像翻译成另一幅图像。比如你可以输入一幅简笔画，或者一些色块，网络能够基于输入的原图像，润色创造出一副新的完整图像，让你秒变灵魂画手。
 *  **自动书写生成**：根据一些手写笔迹，利用深度学习技术就能用这些笔迹写出其他的词句，比如伦多大学的Alex Graves就教会了电脑用多种不同的风格来书写。
 *  **自动识别**图片文字，破解验证码，或者快速处理扫描件，生成电子文档。
 *  **预测**人幼年或老年时的外貌，可以帮助警方寻找失踪人口。

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总之，深度学习在各个领域都有广泛的应用，而且随着技术的进步，其应用场景将会越来越广泛。

## 五、常见深度学习框架的对比 ##

以下是常见几种深度学习框架的对比表格（2021）

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#dddddd;"> 框架 </td> 
 <td style="background-color:#dddddd;width:65px;"> 发布 时间 </td> 
 <td style="background-color:#dddddd;width:103px;"> 开发公司 /组织 </td> 
 <td style="background-color:#dddddd;"> 编程语言 </td> 
 <td style="background-color:#dddddd;"> GPU 支持 </td> 
 <td style="background-color:#dddddd;"> 自动 求导 </td> 
 <td style="background-color:#dddddd;"> 分布式训练 </td> 
 <td style="background-color:#dddddd;"> 应用领域 </td> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> TensorFlow </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:65px;"> 2015年 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:103px;"> Google </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> Python/C++ </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 语音识别、图像识别、自然语言处理等 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> PyTorch </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:65px;"> 2016年 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:103px;"> Facebook </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> Python/C++ </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 图像识别、自然语言处理等 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> MXNet </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:65px;"> 2015年 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:103px;"> Apache软件基金会 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> Python/C++/ Julia/R/Scala </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 图像处理、自然语言处理、推荐系统等 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> Caffe </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:65px;"> 2013年 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:103px;"> 标准大学 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> C++ </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 不支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 不支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 图像处理、视频分析等 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> Keras </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:65px;"> 2015年 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:103px;"> François Chollet </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> Python </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 图像处理、自然语言处理等 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> Theano </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:65px;"> 2007年 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:103px;"> Montreal大学 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> Python </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 图像处理、语音识别、推荐系统等 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> Torch </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:65px;"> 2002年 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;width:103px;"> Ronan Collobert </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> Lua </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 支持 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7fa;"> 图像处理、推荐系统、自然语言处理等 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

需要注意的是，以上表格仅供参考，

每个框架的功能和适用范围都有所不同，

选择合适的深度学习框架需根据具体应用场景和需求来考虑。

## 六、深度学习框架在市场上的占比 ##

最新的市场占比数据显示，目前最受欢迎的深度学习框架包括TensorFlow、PyTorch和Caffe。

据市场研究公司O'Reilly发布的《2019年AI和深度学习市场调查报告》显示，TensorFlow是最受欢迎的深度学习框架，有57.2%的受访者使用它。PyTorch紧随其后，有37.1%的受访者使用它。Caffe和Keras也很受欢迎，分别占据了16.2%和13.7%的市场份额。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td colspan="3" style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:414.8pt;"> 几种常见的深度学习框架在市场上的占比对比（2021） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:72.5pt;"> TensorFlow： </td> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:47.75pt;"> 超40%， </td> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:294.55pt;"> 是目前最流行的深度学习框架之一。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:72.5pt;"> PyTorch： </td> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:47.75pt;"> 超25%， </td> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:294.55pt;"> 由Facebook开发并维护，近年来逐渐受到关注和广泛应用。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:72.5pt;"> Keras： </td> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:47.75pt;"> 超10%， </td> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:294.55pt;"> 经常与TensorFlow一起使用，提供了一种更简单易用的框架。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:72.5pt;"> Caffe： </td> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:47.75pt;"> 约5%， </td> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:294.55pt;"> 市场适用于计算机视觉和图像处理等领域。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:72.5pt;"> MXNet： </td> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:47.75pt;"> 约5%， </td> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:294.55pt;"> 市场由亚马逊开发并维护，适用于大规模分布式深度学习。 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 七、中国深度学习开源框架状况 ##

*  **中国深度学习开源框架市场形成三强格局**

![a4a514d825a94cba8dff71f380741746.png][]

国际权威数据调研机构IDC发布《中国深度学习框架和平台市场份额，2022H2》报告。报告显示，百度稳居中国深度学习平台市场综合份额第一，领先优势进一步扩大。中国深度学习开源框架市场形成三强格局，框架市场前三份额超过80%。

![de0364cec2684d04a13233762a68dc7e.png][]

IDC分析师在报告中总结到，从覆盖广泛度上，飞桨PaddlePaddle在学术界、工业界的认知都进一步提升，是在提及时知晓的框架；从用户群体上，飞桨在制造、能源、交通、物流行业认知度和份额提升明显。教育机构、ISV/SI、传统IT行业的工程师、初级开发者等越来越多在使用飞桨。

近年来，人工智能领域的技术创新和产业发展，都离不开深度学习框架和平台。深度学习平台下接芯片、上承应用，相当于“智能时代的操作系统”。飞桨作为我国首个自主研发、开源开放的产业级深度学习平台，在动静统一的核心框架、大规模分布式训练、训推一体高性能推理部署等核心技术上已经达到国际领先水平；在平台功能上具备丰富的产业级模型库、端到端开发套件、工具组件，以及零门槛AI开发平台EasyDL和全功能AI开发平台BML、学习与实训社区AI Studio，高效支持深度学习模型开发、训练、部署等全流程，降低AI技术应用门槛；在生态上，飞桨推动构建了全方位的生态体系，包括开发者生态、教育生态、企业生态、硬件生态，通过生态共享共创加速产学研用协同创新发展。

IDC分析师在报告中指出，当前国际环境下，国产框架和平台份额有望进一步增长。支持边缘智能、提供丰富的面向场景的预训练模型将成为未来1-2年带动框架和平台增长的机会。

![9af8579073b94abe963534db6d6e5f70.png][]中国信通院发布《深度学习平台发展报告（2022）》深度学习框架和赋能平台评价维度

## 八、备注 ##

此文为个人学习记录，资料来源于网络

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