3. 编译ONNX模型

本章以 yolov5s.onnx 为例, 介绍如何编译迁移一个onnx模型至BM1684X TPU平台运行。

该模型来自yolov5的官网: https://github.com/ultralytics/yolov5/releases/download/v6.0/yolov5s.onnx

本章需要如下文件(其中xxxx对应实际的版本信息):

tpu-mlir_xxxx.tar.gz (tpu-mlir的发布包)

3.1. 加载tpu-mlir

以下操作需要在Docker容器中。关于Docker的使用, 请参考 启动Docker Container 。

1$ tar zxf tpu-mlir_xxxx.tar.gz
2$ source tpu-mlir_xxxx/envsetup.sh

envsetup.sh 会添加以下环境变量:

表 3.1 环境变量

变量名

值

说明

TPUC_ROOT

tpu-mlir_xxx

解压后SDK包的位置

MODEL_ZOO_PATH

${TPUC_ROOT}/../model-zoo

model-zoo文件夹位置, 与SDK在同一级目录

envsetup.sh 对环境变量的修改内容为:

1export PATH=${TPUC_ROOT}/bin:$PATH
2export PATH=${TPUC_ROOT}/python/tools:$PATH
3export PATH=${TPUC_ROOT}/python/utils:$PATH
4export PATH=${TPUC_ROOT}/python/test:$PATH
5export PATH=${TPUC_ROOT}/python/samples:$PATH
6export LD_LIBRARY_PATH=$TPUC_ROOT/lib:$LD_LIBRARY_PATH
7export PYTHONPATH=${TPUC_ROOT}/python:$PYTHONPATH
8export MODEL_ZOO_PATH=${TPUC_ROOT}/../model-zoo

3.2. 准备工作目录

建立 model_yolov5s 目录, 注意是与tpu-mlir同级目录; 并把模型文件和图片文件都 放入 model_yolov5s 目录中。

操作如下:

1$ mkdir model_yolov5s && cd model_yolov5s
2$ cp $TPUC_ROOT/regression/model/yolov5s.onnx .
3$ cp -rf $TPUC_ROOT/regression/dataset/COCO2017 .
4$ cp -rf $TPUC_ROOT/regression/image .
5$ mkdir workspace && cd workspace

这里的 $TPUC_ROOT 是环境变量, 对应tpu-mlir_xxxx目录。

3.3. ONNX转MLIR

如果模型是图片输入, 在转模型之前我们需要了解模型的预处理。如果模型用预处理后的npz文件做输入, 则不需要考虑预处理。 预处理过程用公式表达如下( \(x\) 代表输入):

\[y = (x - mean) \times scale\]

官网yolov5的图片是rgb, 每个值会乘以 1/255 , 转换成mean和scale对应为 0.0,0.0,0.0 和 0.0039216,0.0039216,0.0039216 。

模型转换命令如下:

$ model_transform.py \
    --model_name yolov5s \
    --model_def ../yolov5s.onnx \
    --input_shapes [[1,3,640,640]] \
    --mean 0.0,0.0,0.0 \
    --scale 0.0039216,0.0039216,0.0039216 \
    --keep_aspect_ratio \
    --pixel_format rgb \
    --output_names 350,498,646 \
    --test_input ../image/dog.jpg \
    --test_result yolov5s_top_outputs.npz \
    --mlir yolov5s.mlir

model_transform.py 支持的参数如下:

表 3.2 model_transform 参数功能

参数名

必选？

说明

model_name

是

指定模型名称

model_def

是

指定模型定义文件, 比如`.onnx`或`.tflite`或`.prototxt`文件

input_shapes

否

指定输入的shape, 例如[[1,3,640,640]]; 二维数组, 可以支持多输入情况

resize_dims

否

原始图片需要resize之后的尺寸; 如果不指定, 则resize成模型的输入尺寸

keep_aspect_ratio

否

在Resize时是否保持长宽比, 默认为false; 设置时会对不足部分补0

mean

否

图像每个通道的均值, 默认为0.0,0.0,0.0

scale

否

图片每个通道的比值, 默认为1.0,1.0,1.0

pixel_format

否

图片类型, 可以是rgb、bgr、gray、rgbd四种情况

output_names

否

指定输出的名称, 如果不指定, 则用模型的输出; 指定后用该指定名称做输出

test_input

否

指定输入文件用于验证, 可以是图片或npy或npz; 可以不指定, 则不会正确性验证

test_result

否

指定验证后的输出文件

excepts

否

指定需要排除验证的网络层的名称, 多个用,隔开

mlir

是

指定输出的mlir文件名称和路径

转成mlir文件后, 会生成一个 ${model_name}_in_f32.npz 文件, 该文件是模型的输入文件。

3.4. MLIR转F32模型

将mlir文件转换成f32的bmodel, 操作方法如下:

$ model_deploy.py \
    --mlir yolov5s.mlir \
    --quantize F32 \
    --chip bm1684x \
    --test_input yolov5s_in_f32.npz \
    --test_reference yolov5s_top_outputs.npz \
    --tolerance 0.99,0.99 \
    --model yolov5s_1684x_f32.bmodel

model_deploy.py 的相关参数说明如下:

表 3.3 model_deploy 参数功能

参数名

必选？

说明

mlir

是

指定mlir文件

quantize

是

指定默认量化类型, 支持F32/F16/BF16/INT8

chip

是

指定模型将要用到的平台, 支持bm1684x/bm1684/cv183x/cv182x/cv181x/cv180x

calibration_table

否

指定校准表路径, 当存在INT8量化的时候需要校准表

tolerance

否

表示 MLIR 量化后的结果与 MLIR fp32推理结果相似度的误差容忍度

correctness

否

表示仿真器运行的结果与MLIR量化后的结果相似度的误差容忍度, 默认0.99,0.90

test_input

否

指定输入文件用于验证, 可以是图片或npy或npz; 可以不指定, 则不会正确性验证

test_reference

否

用于验证模型正确性的参考数据(使用npz格式)。其为各算子的计算结果

excepts

否

指定需要排除验证的网络层的名称, 多个用,隔开

model

是

指定输出的model文件名称和路径

编译完成后, 会生成名为 ${model_name}_1684x_f32.bmodel 的文件。

3.5. MLIR转INT8模型

3.5.1. 生成校准表

转INT8模型前需要跑calibration, 得到校准表; 输入数据的数量根据情况准备100~1000张左右。

然后用校准表, 生成对称或非对称bmodel。如果对称符合需求, 一般不建议用非对称, 因为 非对称的性能会略差于对称模型。

这里用现有的100张来自COCO2017的图片举例, 执行calibration:

$ run_calibration.py yolov5s.mlir \
    --dataset ../COCO2017 \
    --input_num 100 \
    -o yolov5s_cali_table

运行完成后会生成名为 ${model_name}_cali_table 的文件, 该文件用于后续编译INT8 模型的输入文件。

3.5.2. 编译为INT8对称量化模型

转成INT8对称量化模型, 执行如下命令:

$ model_deploy.py \
    --mlir yolov5s.mlir \
    --quantize INT8 \
    --calibration_table yolov5s_cali_table \
    --chip bm1684x \
    --test_input yolov5s_in_f32.npz \
    --test_reference yolov5s_top_outputs.npz \
    --tolerance 0.85,0.45 \
    --model yolov5s_1684x_int8_sym.bmodel

编译完成后, 会生成名为 ${model_name}_1684x_int8_sym.bmodel 的文件。

3.5.3. 编译为INT8非对称量化模型

转成INT8非对称量化模型, 执行如下命令:

$ model_deploy.py \
    --mlir yolov5s.mlir \
    --quantize INT8 \
    --asymmetric \
    --calibration_table yolov5s_cali_table \
    --chip bm1684x \
    --test_input yolov5s_in_f32.npz \
    --test_reference yolov5s_top_outputs.npz \
    --tolerance 0.90,0.55 \
    --model yolov5s_1684x_int8_asym.bmodel

编译完成后, 会生成名为 ${model_name}_1684x_int8_asym.bmodel 的文件。

3.6. 效果对比

在本发布包中有用python写好的yolov5用例, 源码路径 $TPUC_ROOT/python/samples/detect_yolov5.py , 用于对图片进行目标检测。阅读该 代码可以了解模型是如何使用的: 先预处理得到模型的输入, 然后推理得到输出, 最后做后处理。 用以下代码分别来验证onnx/f32/int8的执行结果。

onnx模型的执行方式如下, 得到 dog_onnx.jpg :

$ detect_yolov5.py \
    --input ../image/dog.jpg \
    --model ../yolov5s.onnx \
    --output dog_onnx.jpg

f32 bmodel的执行方式如下, 得到 dog_f32.jpg :

$ detect_yolov5.py \
    --input ../image/dog.jpg \
    --model yolov5s_1684x_f32.bmodel \
    --output dog_f32.jpg

int8对称bmodel的执行方式如下, 得到 dog_int8_sym.jpg :

$ detect_yolov5.py \
    --input ../image/dog.jpg \
    --model yolov5s_1684x_int8_sym.bmodel \
    --output dog_int8_sym.jpg

int8非对称bmodel的执行方式如下, 得到 dog_int8_asym.jpg :

$ detect_yolov5.py \
    --input ../image/dog.jpg \
    --model yolov5s_1684x_int8_asym.bmodel \
    --output dog_int8_asym.jpg

四张图片对比如下:

_images/yolov5s.png

图 3.1 TPU-MLIR对YOLOv5s编译效果对比

由于运行环境不同, 最终的效果和精度与 图 3.1 会有些差异。

3.7. 模型性能测试

以下操作需要在Docker外执行,

3.7.1. 安装 libsophon 环境

请参考 libsophon 使用手册安装 libsophon 。

3.7.2. 检查 BModel 的性能

安装好 libsophon 后, 可以使用 bmrt_test 来测试编译出的 bmodel 的正确 性及性能。可以根据 bmrt_test 输出的性能结果, 来估算模型最大的fps, 来选择合适的模型。

# 下面测试上面编译出的bmodel
# --bmodel参数后面接bmodel文件,

$ cd $TPUC_ROOT/../model_yolov5s/workspace
$ bmrt_test --bmodel yolov5s_1684x_f32.bmodel
$ bmrt_test --bmodel yolov5s_1684x_int8_asym.bmodel
$ bmrt_test --bmodel yolov5s_1684x_int8_sym.bmodel

以最后一个命令输出为例(此处对日志做了部分截断处理):

 1[BMRT][load_bmodel:983] INFO:pre net num: 0, load net num: 1
 2[BMRT][show_net_info:1358] INFO: ########################
 3[BMRT][show_net_info:1359] INFO: NetName: yolov5s, Index=0
 4[BMRT][show_net_info:1361] INFO: ---- stage 0 ----
 5[BMRT][show_net_info:1369] INFO:   Input 0) 'images' shape=[ 1 3 640 640 ] dtype=FLOAT32
 6[BMRT][show_net_info:1378] INFO:   Output 0) '350_Transpose_f32' shape=[ 1 3 80 80 85 ] ...
 7[BMRT][show_net_info:1378] INFO:   Output 1) '498_Transpose_f32' shape=[ 1 3 40 40 85 ] ...
 8[BMRT][show_net_info:1378] INFO:   Output 2) '646_Transpose_f32' shape=[ 1 3 20 20 85 ] ...
 9[BMRT][show_net_info:1381] INFO: ########################
10[BMRT][bmrt_test:770] INFO:==> running network #0, name: yolov5s, loop: 0
11[BMRT][bmrt_test:834] INFO:reading input #0, bytesize=4915200
12[BMRT][print_array:702] INFO:  --> input_data: < 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...
13[BMRT][bmrt_test:982] INFO:reading output #0, bytesize=6528000
14[BMRT][print_array:702] INFO:  --> output ref_data: < 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0...
15[BMRT][bmrt_test:982] INFO:reading output #1, bytesize=1632000
16[BMRT][print_array:702] INFO:  --> output ref_data: < 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0...
17[BMRT][bmrt_test:982] INFO:reading output #2, bytesize=408000
18[BMRT][print_array:702] INFO:  --> output ref_data: < 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0...
19[BMRT][bmrt_test:1014] INFO:net[yolov5s] stage[0], launch total time is 4122 us (npu 4009 us, cpu 113 us)
20[BMRT][bmrt_test:1017] INFO:+++ The network[yolov5s] stage[0] output_data +++
21[BMRT][print_array:702] INFO:output data #0 shape: [1 3 80 80 85 ] < 0.301003    ...
22[BMRT][print_array:702] INFO:output data #1 shape: [1 3 40 40 85 ] < 0 0.228689  ...
23[BMRT][print_array:702] INFO:output data #2 shape: [1 3 20 20 85 ] < 1.00135     ...
24[BMRT][bmrt_test:1058] INFO:load input time(s): 0.008914
25[BMRT][bmrt_test:1059] INFO:calculate  time(s): 0.004132
26[BMRT][bmrt_test:1060] INFO:get output time(s): 0.012603
27[BMRT][bmrt_test:1061] INFO:compare    time(s): 0.006514

从上面输出可以看到以下信息:

  1. 05-08行是bmodel的网络输入输出信息

  2. 19行是在TPU上运行的时间, 其中TPU用时4009us, CPU用时113us。这里CPU用时主要是指在HOST端调用等待时间

  3. 24行是加载数据到NPU的DDR的时间

  4. 25行相当于12行的总时间

  5. 26行是输出数据取回时间