在利用OpenVINO在英特尔处理器上实现1000+ FPS性能

SDNLAB 2023-02-15 1922

描述

！作为目标检测领域著名的模型家族，you only look once (YOLO) 推出新模型的速度可谓是越来越快。

就在刚刚过去的1月份，YOLO又推出了最新的YOLOv8模型，其模型结构和架构上的创新以及所提供的性能提升，使得它刚刚面世，就获得了广大开发者的关注。

YOLOv8的性能到底怎么样？如果说利用OpenVINO的量化和加速，利用英特尔CPU、集成显卡以及独立显卡与同一代码库无缝协作，可以获得1000+ FPS的性能，你相信吗？

那不妨继续往下看，我们将手把手的教你在利用OpenVINO在英特尔处理器上实现这一性能。

| 图1. YOLOv8推理结果示例好的，让我们开始吧。注意：以下步骤中的所有代码来自OpenVINO Notebooks开源仓库中的230-yolov8-optimization notebook 代码示例。

01 安装相应工具包及加载模型

本次代码示例我们使用的是Ultralytics YOLOv8模型，因此需要首先安装相应工具包。

1. !pip install "ultralytics==8.0.5"

然后下载及加载相应的PyTorch模型。

1. from ultralytics import YOLO

3. MODEL_NAME = "yolov8n"

5. model = YOLO(f'{MODEL_NAME}.pt')

7. label_map = model.model.names

定义测试图片的地址，获得原始PyTorch模型的推理结果：

1. IMAGE_PATH = "../data/image/coco_bike.jpg"

2. results = model(IMAGE_PATH, return_outputs=True)

其运行效果如下

处理器

为将目标检测的效果以可视化的形式呈现出来，需要定义相应的函数，最终运行效果如下图所示：

02 将模型转换为OpenVINO IR格式

为获得良好的模型推理加速，并更方便的部署在不同的硬件平台上，接下来我们首先将YOLO v8模型转换为OpenVINO IR模型格式。

YOLOv8提供了用于将模型导出到不同格式（包括OpenVINO IR格式）的API。

model.export负责模型转换。

我们需要在这里指定格式，此外，我们还可以在模型中保留动态输入。

1. from pathlib import Path

3. model_path = Path(f"{MODEL_NAME}_openvino_model/{MODEL_NAME}.xml")

4. if not model_path.exists():

5. model.export(format="openvino", dynamic=True, half=False)

接下来我们来测试一下转换后模型的准确度如何。运行以下代码，并定义相应的前处理、后处理函数。

1. from openvino.runtime import Core, Model

3. core = Core()

4. ov_model = core.read_model(model_path)

5. device = "CPU" # GPU

6. if device != "CPU":

7. ov_model.reshape({0: [1, 3, 640, 640]})

8. compiled_model = core.compile_model(ov_model, device)

在单张测试图片上进行推理，可以得到如下推理结果：

处理器

03 在数据集上验证模型准确度

YOLOv8是在COCO数据集上进行预训练的，因此为了评估模型的准确性，我们需要下载该数据集。

根据YOLOv8 GitHub仓库中提供的说明，我们还需要下载模型作者使用的格式的标注，以便与原始模型评估功能一起使用。

1. import sys

2. from zipfile import ZipFile

4. sys.path.append("../utils")

5. from notebook_utils import download_file

7. DATA_URL = "http://images.cocodataset.org/zips/val2017.zip"

8. LABELS_URL = "https://github.com/ultralytics/yolov5/releases/download/v1.0/coco2017labels-segments.zip"

10. OUT_DIR = Path('./datasets')

11.

12. download_file(DATA_URL, directory=OUT_DIR, show_progress=True)

13. download_file(LABELS_URL, directory=OUT_DIR, show_progress=True)

14.

15. if not (OUT_DIR / "coco/labels").exists():

16. with ZipFile(OUT_DIR / 'coco2017labels-segments.zip' , "r") as zip_ref:

17. zip_ref.extractall(OUT_DIR)

18. with ZipFile(OUT_DIR / 'val2017.zip' , "r") as zip_ref:

19. zip_ref.extractall(OUT_DIR / 'coco/images')

接下来，我们配置DetectionValidator并创建DataLoader。原始模型存储库使用DetectionValidator包装器，它表示精度验证的过程。

它创建DataLoader和评估标准，并更新DataLoader生成的每个数据批的度量标准。

此外，它还负责数据预处理和结果后处理。对于类初始化，应提供配置。

我们将使用默认设置，但可以用一些参数替代，以测试自定义数据，代码如下。

1. from ultralytics.yolo.utils import DEFAULT_CONFIG

2. from ultralytics.yolo.configs import get_config

3. args = get_config(config=DEFAULT_CONFIG)

4. args.data = "coco.yml"

1. validator = model.ValidatorClass(args)

3. data_loader = validator.get_dataloader("datasets/coco", 1)

Validator配置代码如下：

1. from tqdm.notebook import tqdm

2. from ultralytics.yolo.utils.metrics import ConfusionMatrix

4. validator.is_coco = True

5. validator.class_map = ops.coco80_to_coco91_class()

6. validator.names = model.model.names

7. validator.metrics.names = validator.names

8. validator.nc = model.model.model[-1].nc

定义验证函数，以及打印相应测试结果的函数，结果如下：处理器

04 利用NNCF POT 量化 API进行模型优化

Neural network compression framework (NNCF) 为OpenVINO中的神经网络推理优化提供了一套先进的算法，精度下降最小。

我们将在后训练（Post-training）模式中使用8位量化（无需微调）来优化YOLOv8。

优化过程包括以下三个步骤：

1）建立量化数据集Dataset;

2）运行nncf.quantize来得到优化模型

3）使用串行化函数openvino.runtime.serialize来得到OpenVINO IR模型。

建立量化数据集代码如下：

1. import nncf # noqa: F811

2. from typing import Dict

5. def transform_fn(data_item

6. """

7. Quantization transform function. Extracts and preprocess input data from dataloader item for quantization.

8. Parameters:

9. data_item: Dict with data item produced by DataLoader during iteration

10. Returns:

11. input_tensor: Input data for quantization

12. """

13. input_tensor = validator.preprocess(data_item)['img'].numpy()

14. return input_tensor

15.

16.

17. quantization_dataset = nncf.Dataset(data_loader, transform_fn)

运行nncf.quantize代码如下：

1. quantized_model = nncf.quantize(

2. ov_model,

3. quantization_dataset,

4. preset=nncf.QuantizationPreset.MIXED,

5. ignored_scope=nncf.IgnoredScope(

6. types=["Multiply", "Subtract", "Sigmoid"], # ignore operations

7. names=["/model.22/dfl/conv/Conv", # in the post-processing subgraph

8. "/model.22/Add",

9. "/model.22/Add_1",

10. "/model.22/Add_2",

11. "/model.22/Add_3",

12. "/model.22/Add_4",

13. "/model.22/Add_5",

14. "/model.22/Add_6",

15. "/model.22/Add_7",

16. "/model.22/Add_8",

17. "/model.22/Add_9",

18. "/model.22/Add_10"]

19. ))

最终串行化函数代码如下：

1. from openvino.runtime import serialize

2. int8_model_path = Path(f'{MODEL_NAME}_openvino_int8_model/{MODEL_NAME}.xml')

3. print(f"Quantized model will be saved to {int8_model_path}")

4. serialize(quantized_model, str(int8_model_path))

运行后得到的优化的YOLOv8模型保存在以下路径：

yolov8n_openvino_int8_model/yolov8n.xml

接下来，运行以下代码在单张测试图片上验证优化模型的推理结果：

1. if device != "CPU":

2. quantized_model.reshape({0, [1, 3, 640, 640]})

3. quantized_compiled_model = core.compile_model(quantized_model, device)

4. input_image = np.array(Image.open(IMAGE_PATH))

5. detections = detect(input_image, quantized_compiled_model)[0]

6. image_with_boxes = draw_boxes(detections, input_image)

8. Image.fromarray(image_with_boxes)

运行结果如下：

处理器

验证下优化后模型的精度，运行如下代码：

1. print("FP32 model accuracy")

2. print_stats(fp_stats, validator.seen, validator.nt_per_class.sum())

4. print("INT8 model accuracy")

5. print_stats(int8_stats, validator.seen, validator.nt_per_class.sum())

得到结果如下：

处理器

可以看到模型精度相较于优化前，并没有明显的下降。

05 比较优化前后模型的性能

接着，我们利用OpenVINO 基线测试工具https://docs.openvino.ai/latest/openvino_inference_engine_tools_benchmark_tool_README.html 来比较优化前（FP32）和优化后（INT8）模型的性能。

在这里，我们分别在英特尔至强第三代处理器（Xeon Ice Lake Gold Intel 6348 2.6 GHz 42 MB 235W 28 cores）上运行CPU端的性能比较。

针对优化前模型的测试代码和运行结果如下：

1. # Inference FP32 model (OpenVINO IR)

2. !benchmark_app -m $model_path -d CPU -api async -shape "[1,3,640,640]"

FP32模型性能：

处理器

INT8模型性能：

已经达到了1400+ FPS! 在英特尔独立显卡上的性能又如何呢？我们在Arc A770m上测试效果如下：

也超过了1000 FPS！

需要注意的是要想获得如此的高性能，需要将推理运行在吞吐量模式下，并使用多流和多个推理请求（即并行运行多个）。

同样，仍然需要确保对预处理和后处理管道进行微调，以确保没有性能瓶颈。

06 利用网络摄像头运行实时测试

除了基线测试工具外，如果你想利用自己的网络摄像头，体验一下实时推理的效果，可以运行我们提供的实时运行目标检测函数：

1. run_object_detection(source=0, flip=True, use_popup=False, model=ov_model, device="AUTO")

获得类似如下图的效果：

处理器

07 进一步提升性能的小技巧

非同步推理流水线

在进行目标检测的推理时，推理性能常常会因为数据输入量的限制而受到影响。此时，采用异步推理的模型，可以进一步提升推理的性能。异步API的主要优点是，当设备忙于推理时，应用程序可以并行执行其他任务（例如填充输入或调度其他请求），而不是等待当前推理首先完成。

使用预处理API

预处理API允许将预处理作为模型的一部分，从而减少应用程序代码和对其他图像处理库的依赖。预处理API的主要优点是将预处理步骤集成到执行图中，并将在选定的设备（CPU/GPU/VPU/等）上执行，而不是作为应用程序的一部分始终在CPU上执行。这将提高所选设备的利用率。

对于本次YOLOv8示例来说，预处理API的使用包含以下几个步骤：

1. 初始化PrePostProcessing对象

20. from openvino.preprocess import PrePostProcessor

21.

22. ppp = PrePostProcessor(quantized_model)

2. 定义输入数据格式

1. from openvino.runtime import Type, Layout

3. ppp.input(0).tensor().set_shape([1, 640, 640, 3]).set_element_type(Type.u8).set_layout(Layout('NHWC'))

4. pass

3. 描述预处理步骤预处理步骤主要包括以下三步： · 将数据类型从U8转换为FP32 · 将数据布局从NHWC转换为NCHW格式 · 通过按比例因子255进行除法来归一化每个像素

代码如下：

1. ppp.input(0).preprocess().convert_element_type(Type.f32).convert_layout(Layout('NCHW')).scale([255., 255., 255.])

3. print(ppp)

4. 将步骤集成到模型中

1. quantized_model_with_preprocess = ppp.build()

2. serialize(quantized_model_with_preprocess, str(int8_model_path.with_name(f"{MODEL_NAME}_with_preprocess.xml")))

具有集成预处理的模型已准备好加载到设备。现在，我们可以跳过检测函数中的这些预处理步骤，直接运行如下推理：

1. def detect_without_preprocess(image:np.ndarray, model

2. """

3. OpenVINO YOLOv8 model with integrated preprocessing inference function. Preprocess image, runs model inference and postprocess results using NMS.

4. Parameters:

5. image (np.ndarray): input image.

6. model (Model): OpenVINO compiled model.

7. Returns:

8. detections (np.ndarray): detected boxes in format [x1, y1, x2, y2, score, label]

9. """

10. output_layer = model.output(0)

11. img = letterbox(image)[0]

12. input_tensor = np.expand_dims(img, 0)

13. input_hw = img.shape[:2]

14. result = model(input_tensor)[output_layer]

15. detections = postprocess(result, input_hw, image)

16. return detections

17.

18.

19. compiled_model = core.compile_model(quantized_model_with_preprocess, device)

20. input_image = np.array(Image.open(IMAGE_PATH))

21. detections = detect_without_preprocess(input_image, compiled_model)[0]

22. image_with_boxes = draw_boxes(detections, input_image)

23.

24. Image.fromarray(img_with_boxes)

小结

整个的步骤就是这样！现在就开始跟着我们提供的代码和步骤，动手试试用Open VINO优化和加速YOLOv8吧。

审核编辑：刘清

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