视觉算法的工业部署及落地方面的技术知识，怎么学？

Myth丶恋晨 2022-09-17 03:26 85阅读 0赞

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如题，本人21届渣渣研三硕士，实习、项目和应聘方向都是图像算法，cv算法岗内卷程度有目共睹，看了不少业内前辈的建议，说转算法部署落地方向比较好（个人在实习期间也感觉到算法模型部署和落地的重要性），本想趁着春招还没来赶紧学习下，可苦于实际中接触不到这方面的前辈或者系统的知识，自学起来如无头苍蝇，无从下手。所以想问问前辈们，如何学习这方面的技能知识，需要掌握那哪些工具技能？

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**作者：ybai62868**

***2017年*：** 比你大一届，本人也是20届的渣渣硕士，刚刚上研的时候，和大多数“内卷儿”一样，我也很幸运被老板安排了“计算机视觉&图像处理&模式识别”的研究方向。屁颠屁颠的开始看cvpr，iccv的paper。

回想起过去，那时的我年幼无知，在地平线的一台四卡服务器上非root权限一步一步的装好了caffe，开始跑起来了openpose的训练，原本以为我的炼丹生涯就这样正式开始了，没想到怎么都复现不到paper上的精度，当时对multi-scale的测试看半天还不懂怎么回事。经常被leader push进度，真心觉得自己菜得扣脚，很多时候都想放弃炼丹。

一步一步，在工业界，从单帧图像上的目标检测，语义分割，实例分割，到人体姿态估计。再迁移到视频上的目标检测，语义分割，关键点检测。以及最后毕业论文的多目标跟踪。算是把整个工业界能用的cv模型都摸了一遍，领域内的经典paper也能做到信手拈来？起码，各种开源的检测框架(商汤的mmdet, Facebook 最早的mask rcnn，detectron1 (caffe2), detectron2 (pytorch), gluonCV)都用过并完成了自定义的项目，其中的源码也都是“随心”看过一遍，**但是自己太蠢了，写不到这个水平的python和cuda代码，以及每次用完，对很多细节的设计只能感慨作者的牛逼。**

***2018年*：**一个偶然的机会，我开始看mxnet的源码(当时还是使用的symbol接口)，看着看着，觉得这玩意和caffe代码好像，很多地方都是从caffe那里复用的，设计也比caffe灵活不少，毕竟粒度更细，安装也更加友好。我一步一步的学习mxnet官网上放出来的所有有关framework设计的知识，包括从“怎样设计一个高效的data loader”，“怎么样设计一个engine把框架中的所有组件schedule起来”，“以及怎么样更好的优化memory和减少数据IO”，“包括怎么样设计一套面向任何等级用户都友好的API”**。**

**原本以为自己掌握了设计DL framework的大体奥义，发现还是想太多了，在面对让自己从头实现一个框架的时候，我也只会用python定义class 包来包去，性能什么的就别说了，我的菜还是没办法改变，最终还是想自己的愚蠢低下了头。。。**

***2019年*：**又一个偶然的机会，我开始在大洋彼岸某个村的CSL做summer research，项目的需求是为他们实验室的一款深度学习编译器(target为fpga)去写一套opencl的backend。

什么是编译器？什么是backend？什么是fpga？什么是opencl？一连串的问题对傻逼的我来说，一切都是未知。扒开这套编译器的codebase，我发现大部分代码都是从tvm那里借鉴来的， 于是，我又走上了tvm的学习之路，从tvm的design到完整的编译flow，包括底层的c++到与上层的python交互，以及autoTVM（那会Ansor还没出来）全部走了一遍。

对于一个根本没玩过硬件开发板的我，这一切在当时来看是非常困难的，还好实验室有给力的Ph.D.们，在他们的配合下，我也成功把基于xilinx和intel fpga的opencl backend全部添加了上去。**那会的我，觉得自己算是掌握了 编译器的大体奥义。可最终我还是想自己的傻逼低下了头，涉及到传统编译器中的llvm的设计，codegen的很多细节，我还是一无所知。。。**

回国后，又加入了某条的mlsys组继续做编译器，我随后又在glow的基础上，为硬件组的自研芯片MVP开发profile-guided的quantization工具链以及针对网络的每个layer开发了方便debug的可视化工具。

***2020年*：**又又一个偶然的机会，被安排到了一家创业公司做intern，刚刚入职第一天就要求在2080ti上去优化一个超分4k视频。对于一行cuda代码都没写过的我来说，那是不敢想象的，项目负责人每两天催一次进度，连给我配tensorRT，学习如何写高性能cuda代码的机会都不给。我每天都活在自责与痛苦中，为什么我这么菜？这么垃圾啊？待我整完了从pytorch模型到onnx模型转换，再到trt的编译，以及为各种不支持的operator写完tensorRT的plugin，再到关于image的前后处理全部手写cuda kernel去和opencv硬碰硬。

遗憾的是，整个inference还是没有跑起来，当我用尽了我当时力所能及的cuda的debug工具（cuda-gdb，cuda-memcheck，...）最终发现还是败在了模型的多张帧输入没办法做到CPU和GPU上的memory 对齐。就这次偶然的机会，我竟然学会了tensorRT的部署。仗着这个经验，我又把组里其他模型：OCR，简化版超清视频到TX2,NX,AGX，智能相机等设备上，用尽了各种能优化的框架ncnn，mnn (其中包括针对工业级的二阶段的OCR模型，det用tensorRT，reg用mnn的vulkan后端联合开多线程优化在TX2上达到real-time)也熟悉了很多不同的backend和指令集架构。

**原本以为，我已经掌握了深度学习CV模型落地的要领，直到这几天接到了要在华为的atlas 500板子上部署算法团队自己整的一套faster rcnn的二阶段检测模型以及tracking，几乎所有套件都要从头开始手写c++(借助FFmpeg对RTSP拉流，解码，udp报文传送，前处理，rpn生成proposals，proposal变anchor，anchor到bbox，kalman filter， hungary， track ID筛选 ...)，我才发现自己的无知，模型部署真的是个大坑。**

以上内容**吹逼归吹逼，且当个故事听听就好**。

其实我想表达的是 视觉算法的工业部署和落地是没有你想得那么容易的，dirty work(手写c++, cuda各种前后处理) 全靠你对于上层模型算法的理解，以及不同hardware backend设计的深刻认知。如果要利用编译技术，你又得对深度学习编译器中如何在design space中搜optim的值和手写template来达到半自动优化有很好的掌握，你才能真正把一个paper里吹的“天花乱坠”的model部署到一个理论算力能跟得上的设备上( 当然，real-time和power是很重要的指标)

从工业界的角度想要快速出活，真正要自学的话：

1.  **深度学习框架方面**，读一读caffe的源码和设计理念，看看其中的cpu/gpu上的op是怎么写的。
2.  **深度学习编译器方面**，读一读tvm的源码和设计理念，看看编译器是怎么把一个dl model经过relay IR 再到 tvm IR，再到不同backend的codegen。以及编译器对计算图的常见优化(算子融合，data layout等)
3.  **深度学习模型部署方面**，针对nvidia的gpu，看看cuda，tensorRT的document，自己尝试着把一个检测或者分割的模型部署到实验室的机器上。针对移动端的cpu，gpu，看看mnn，学习下mnn的code design。很多非常好的profiling，可视化工具。针对fpga设备，可以看看hls，opencl，verilog。毕竟直接拿现成的tool把model中的op翻译成hls，opencl代码还不是非常高效，很多东西还是直接写HDL所带来的speed up才更直接。这就和很多时候在arm架构的cpu上去优化算法，直接手写汇编所带来的提升更加直接。

从提升自己内功的角度来看，认真啃好:“**编译器，计算机体系结构，并行计算，**

**编程语言设计，计算机系统，计算机网络，C++程序设计**” 来说是更好不过了。

当然，一切的一切都得来源于你对上层DL算法都有了深入了解，知道每个layer是怎么跑的，输入的feature和输出的feature都是怎么存的，软件和算法层面都经历过怎样的加速，还有哪些加速是需要结合hardware来进行co-design的，你才能更好地把模型中的不同layer合理高效地部署到不同的hardware上。

给个结论：如果要真正想习得视觉算法的部署和落地，最快捷的方法，首先你需要有一个极为严格经常push你并且还活跃在代码一线的leader，然后还得有一个特定的业务场景和急迫的ddl。

**作者：Rand Xie**

算是有过部署图像算法到嵌入式设备的经验吧. 个人经验来看, 需要建立起两个方面的能力, 一个是图像算法的能力, 另一个则是工程能力 (看着很像废话).

图像算法方面, 需要知道可以怎么优化算法去减少运算量, 或者在latency budget不够的情况下, 如何在算法performance和latency之间取舍. 这就要求对传统图像算法和深度学习算法都有理解.

工程方面, 需要掌握一门compiled language, 最好是C++, 因为你需要去榨干硬件的性能. 这里说的掌握C++, 不是说去掌握所有的奇技淫巧, 而是能深入底层原理, 更精确得控制每一行代码的执行. 展开点来说, 这就涉及到计算机科学最基础的操作系统, compiler, 体系结构等等.

当然, 单纯学这些知识很难坚持, 最好是边做项目边深入了解. 如果能联系到学校的教授, 参与相关的课题, 这就最好了. 如果没有这样的机会, 也可以考虑参与一些开源项目, 比如TVM之类的.

**作者：机器学习入坑者**

拿到过高通的终端侧人工智能创新奖，主要做的是手机端的APP。

大规模的工业部署我暂时没接触过，只做过简单的落地应用。

既然说到怎么学，我觉得首先是在自己的服务器上打好基础。如果在训练模型的时候不知道模型的每一层是什么操作，那么部署的时候肯定会出现很多问题，比如端侧不支持某个算子。

其次，需要学习一些模型压缩和量化的知识。在部署的时候需要考虑模型的计算量是否满足部署平台的限制，目前很多针对mobile的论文提到了降低计算量的网络设计。

最后，需要学习Java或者c++之类的语言，一般训练模型用python，而部署的时候需要采用别的语言。pytorch和tensorflow都含有好几种语言的版本，可以多逛逛官网学习一下。

**作者：韩天啸**

## **核心点** ##

视觉算法的部署和落地，最一般考虑的"速度"和"精度"的权衡。下面的部署流程中简单介绍一些。

其次，通常的实际系统具体的情况，比如输入输出（摄像头的分辨率、摄象头角度变换），是否要处理遮挡，网络条件（需不需要本地做控制，还是只需要传结果）。

还有是解决一些bad case，比如过曝、失焦。

## 一般流程 ##

1.  数据处理 有无标注好的数据，如果有标注数据，数据增广之后是否可以让模型很好的收敛；如果没有标注数据，找一找公开带标注的数据集里面有没有可以迁移学习的。
2.  高效训练 因为之后模型压缩损失精度，就要提前在训练时尽可能把精度达到更高、缩短训练时间。比如大batch size和Linear scaling、warm up、Zero γ 、no bias decay等的方法。同时优先考虑mobilenet等backbone，看精度是否在要求内。听说，有条件的会搜索一下网络结构。
3.  推理引擎优化 使用推理引擎来进行优化，TVM、Nccn、tensorRT、Tensorflow-lite、Tengine、Xilinx vitis 、Huawei ruyi。各家的流程主要有一些 剪枝、量化、蒸馏等。量化中也会重新训练一部分矫正数据集，达到更好的效果。但量化训练（量化感知训练）之后的网络权重就和推理引擎耦合起来了，所以放在了推理引擎优化来讲。但其实训练后量化不管有没有经过矫正损失精度还是蛮多的。所以知识蒸馏看起来还是蛮不错的，看到paddle放出来过一个结果，8位定点数量化的学生模型不仅参数来下降了70%+，精度还提了1%。
4.  加速硬件选取 可以看看roofline模型，软件优化的trick之后，硬件的加速也很重要。使用并行加速硬件（GPU、FPGA）或者异构计算（CPU+FPGA、CPU+加速器）可以有效提高推理速度，但成本也增加的比较多。比较实际的办法，是复用这些加速器，一拖多、但带宽的限制也比较大。看到一些文章在offloading或model partition，希望早日有好的工具release。

5 .上线前测试评估 Fuzz测试工具

在实际使用过程中因为一些原因，譬如使用图像分类应用时，当镜头模糊、光照不足、下雨大雾、拍摄角度等等情况下，实际输入的数据与训练模型时的标准数据集有一些不同。在这种情况下，模型可能出现模型精度答复下降。而在某些极端情况下，可能出现未知的推理失误，引入安全性问题。对模型的评估和鲁棒性测试，可以有效减少未知的安全风险，测试工具通过对数据集进行增强，如色差、翻转、模糊等，自动化产生测试样例。评估图像的覆盖率指标以及精度下降。测试模型出现扰动的情况下，模型精度（Accuracy）下降程度以及神经元激活程度（Coverage Rate）

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## **实践** ##

1.  FPGA LOW POWER OBJECT DETECTION

DAC会议每年会举办一个system design contest，分为两个赛道，分别在FPGA和embedded GPU上处理无人机拍摄的小目标检测数据集。比赛通过分析实际下板运行的速度、精度和功耗三个指标来衡量最后的得分。

其中的一个开源项目SpooNN值得一看。SpooNN的作者是由ETH（苏黎世联邦理工学院）系统组。使用软硬件联合优化的方式在FPGA上优化了squeezeNet，分别在2018、2019比赛上获得第二名、第三名。在网络结构方面，SpooNN将squeezeNet的fire 模块改成half fire模块，少使用一层的卷积层。

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thanks to：DREU at Brown University

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Thanks to：DAC 2019低功耗目标检测系统设计挑战赛：GPU、FPGA组双冠军方案解读

给出一个gihub链接，大伙可以先自行去看看，由于代码都是release的，而且可以重新训练，所以相对有参考价值。照着我上面讲的流程梳理一下~

**作者：范沅**

就这么点时间，看看c++吧，不用学的太好，知道怎么样高效处理数据流，写写前后置处理，指针啊矩阵计算啊啥的。

再看看tfx之类的东西吧，看看怎么调度的。

优化算子啥的，常见模型都跑不好是库有问题吧，看看老黄的tensorrt吧，大概了解了解。

看看招啥人吧，有啥要求，面向面试编程。

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