10行代码轻松在ZYNQ MP上实现图像识别的步骤

简介

Xilinx Vitis-AI 是用于 Xilinx 硬件平台上的 AI 推理的开发堆栈。它由优化的 IP、工具、库、模型和示例设计组成。

简单来说，它主要包含：

AI推理加速器IP，即DPU；

支持将AI模型优化 (Optimizer)、量化 (Quantizer)、最后编译 (Compiler) 成DPU运行指令集的整套工具；

支撑模型运行的运行时库(Vitis-AI runtime, Vitis-AI library)；

本案例中，我们将使用 Xilinx Kria KV260开发板（包含ZynqMP器件）为目标运行设备。

本文使用的Vitis-AI 版本为1.4, 使用的platform基于Vitis/Vivado 2020.2。为了方便快速部署，我们直接使用官方发布的Linux系统启动镜像, 并且使用Vitis-AI library为编程接口。

准备工作

开始工作前我们需要先搭建好运行环境，包括设置host端（X86机器）的交叉编译环境，以及 target端（KV260）的启动镜像烧写。

本文的主要目的是阐述 Vitis-AI Library 的使用，故运行环境的搭建不做过多介绍，可以完全参考以下链接中的步骤

 “Step1: Setup cross-compiler” 

 “Step2: Setup the Target” 

注意因为KV260 的Vitis-AI 1.4 platform基于Vitis/Vivado 2020.2, 配置交叉编译环境使用的脚本为host_cross_compiler_setup_2020.2.sh

因为我们使用官方启动镜像，Step2中标注为“Optional”的步骤我们都可以省略。

当KV260成功启动，我们会在console中看到如下提示符：

root@xilinx-k26-starterkit-2020_2:~#

程序编译

可通过如下方式获得本案例中的代码，

主要用到的文件为classification.cpp和Makefile。另外几个Jpeg文件可用于后续测试输入。

安装准备工作章节中配置好交叉编译环境后，切换到源码目录中直接运行make。make完成后文件夹中会生成执行文件“classification”。

运行演示

KV260 连接好串口，从SD卡启动运行（记得提前把执行文件和测试图片拷贝到SD下），

切换到执行文件和测试图片目录下，运行 ./classification.JPEG

分类结果如下：

图片原图：

代码分析

Vitis-AI包含了两组编程接口：VART (Vitis-AI Runtime) 比较底层，提供更大的自由度；Vitis-AI library属于高层次API，构建于 VART 之上，通过封装许多高效、高质量的神经网络，提供更易于使用的统一接口。

Vitis-AI Library的组成如下图，包含 base libraries, model libraries, library test samples, application demos几个部分：

base libraries提供底层接口；

model libraries是重要的部分，提供了主流模型（classification, detection, segmentation…) 的调用方法；

library test samples和application demos主要提供library的使用示例；

再来看本例子，如何用简单到10行代码实现图片分类：

int main(int argc, char* argv[]) {

    std::string image_name = argv[1];

    auto image = cv::imread(image_name);

    auto network = vitis::create("resnet50");

    auto result = network->run(image);

    cout << "Classification result:" << endl;

    for (const auto &r : result.scores){

cout << result.lookup(r.index) << ": " << r.score << endl;

    }

}

源文件中除去include部分，只有10行代码，代码中最重要的有两句，第一句调用create方法创建了Classification类的一个实例，第二句调用run方法来运行神经网络获得推理结果。

auto network = vitis::create("resnet50");

    auto result = network->run(image);

vitis::Classification 是 model libraries 中的一个基础类，其作用是进行图片分类，这个类中包含如下方法：

其中create方法接受一个模型名称作为参数，返回一个Classification类的实例。在安装了Vitis-AI Library的开发板上，已经训练编译好的模型文件放在开发板的/usr/share/vitis_ai_library/models/目录下，Vitis-AI Library会通过传递给create方法的模型名称来调用这些模型文件，比如我们用到的resnet50模型文件位置如下，

如果用户训练并编译好了自己的模型，也可以把自己的模型文件放到对应位置来使用。

run方法接受一个/一组图片作为输入，输出这个/这些图片的分类结果。其工作简单来说就是把模型文件和图片数据传送给DPU, DPU运行并输出推理结果，CPU再读回结果。

再看下添加了注释的代码片段，整个过程实际上非常简单明了。

int main(int argc, char* argv[]) {

    std::string image_name = argv[1];

    auto image = cv::imread(image_name);                                    // 读入图片

    auto network = vitis::create("resnet50");   // 用resnet50模型创建Classification类实例

    auto result = network->run(image);                                           //运行模型

    cout << "Classification result:" << endl;

    for (const auto &r : result.scores){

cout << result.lookup(r.index) << ": " << r.score << endl; //输出模型运行结果

    }

}

除了Classification基础类， Vitis-AI Library包含了非常多的常用机器学习任务（classification, detection, segmentation…)的基础类。这些类的使用方法基本一致，

首先通过create方法创建基础类的实例，

通过getInputWidth()/getInputHeight()来获取模型需要的图片尺寸，

resize图片，

运行run方法来运行网络获得输出。

总结

通过这个例子，我们看到通过Vitis-AI工具，可以大大缩减模型到部署之间的距离。Vitis-AI包含了常用模型的Model-Zoo, 提供简单易用的编程接口，甚至可以让不熟悉机器学习或者FPGA的软件开发者都可以在极短的时间内在FPGA/SoC器件上部署神经网络应用。

审核编辑：刘清