MMDeploy学习笔记(一):模型部署基础知识
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2025-06-01 04:51:21
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MMDeploy学习笔记(一):模型部署基础知识

  • 概述
  • ONNX模型
  • 模型部署案例-分类模型ResNet
    • Pytorch模型转ONNX模型
    • 使用ONNX Runtime对ONNX模型进行推理
    • 使用TensorRT对ONNX模型进行推理
    • 提升推理效率的两个tricks
      • 批处理
      • 量化
  • 常见问题

概述

模型部署是把训练好的模型在特定的软硬件平台下进行推理,能够对输入的数据进行前向计算得到预测结果,并针对硬件的特点进行优化与加速(例如矩阵的乘法计算在CPU、GPU和DSP的实现方式各不相同,计算速度也各不相同)。将其封装成软件开发包(SDK)后,就可以利用它开发应用软件(APP)。

由于现有Pytorch、TensorFlow等不同的深度学习框架,以及Nvidia、Intel、Qualcomm、Apple、Huawei等不同的硬件平台,那么在不同的硬件平台上部署不同的深度学习框架时,需要适配不同的模型格式,这个适配的复杂度是相当大的,因此需要针对不同的深度学习框架引入一个统一的模型格式,即ONNX。

ONNX的本质是文本,而不是程序,所以它无法直接在硬件平台上运行,因此需要推理引擎(推理框架)来加载ONNX模型,并在硬件设备上进行高效的推理。市面上所有的推理引擎都支持ONNX模型,这些引擎可以分为两类:

  • 芯片厂商自研的推理框架,例如Nvidia的TensorRT、Intel的openVINO、Qualcomm的SNPE、Apple的ML、Huawei的CANN等,这类推理引擎的优点是可以充分发挥自家芯片的能力,获得比较好的推理性能,缺点是不具有普适性,无法应用在其他的芯片上。
  • 通用的推理引擎,例如ONNX RUNTIME、MNN、TNN、PP、tvm、TensorFlow Lite等,这些推理引擎的优点是具备通用性,可运行在不同的软硬件平台下,对于用户来说,可以降低开发的难度并提升开发效率。

因此,模型部署流程可以用下图进行描述:
在这里插入图片描述

ONNX模型

ONNX(Open Neural Network Exchange)模型由微软、亚马逊、Facebook和IBM等公司共同发起开发,它是一种针对机器学习所设计的开放式文件格式,用于存储训练好的模型。不同的训练框架可采用相同格式存储模型并交互。

权重使用随机值,构建LeNet模型并导出ONNX的代码实例:

import torch
from torch import nnclass LeNet(nn.Module):def __init__(self):super(LeNet, self).__init__()self.net = nn.Sequential(nn.Conv2d(1, 6, kernel_size=5),nn.Sigmoid(),nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),nn.Conv2d(6, 16, kernel_size=5),nn.Sigmoid(),nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2),nn.Flatten(),nn.Linear(16*5*5, 120),nn.Sigmoid(),nn.Linear(120, 84),nn.Sigmoid(),nn.Linear(84,10))def forward(self, img):return self.net(img)model = LeNet()
model.eval()
x = torch.rand(size=(1, 1, 32, 32), dtype=torch.float32)
torch.onnx.export(model, x, f='lenet.onnx', input_names=['input'],output_names=['output'], opset_version=11)

ONNX的可视化可参考博主的另一篇博客ONNX可视化与编辑工具。导出的ONNX模型是一个有向无环图,图中的节点为算子,所有算子的集合成为算子集(opset),图中的边表示节点的计算顺序和数据流向。所有算子的定义可以访问官网。
在这里插入图片描述

模型部署案例-分类模型ResNet

Pytorch模型转ONNX模型

在此链接下载相应的模型和权重文件。使用以下代码导出ONNX模型:

from mmcls.apis import init_model
import torchresnet18 = init_model('resnet18_8xb32_in1k.py',checkpoint='resnet18_8xb32_in1k_20210831-fbbb1da6.pth',device='cuda:0')
# 由于模型在训练过程中有drop_out,而且模型中BN层的参数会随着输入的变化而变化,推理的时候要消除这些影响,因此需要打开evaluation模式,起到使参数固定的作用
resnet18.eval()
x = torch.rand((1,3,224,224),device='cuda:0')
# 单张输入
torch.onnx.export(resnet18, (x,False), 'resnet18.onnx', input_names=['input'], output_names=['output'], opset_version=11)

注:torch.onnx.export函数说明:
在这里插入图片描述

使用ONNX Runtime对ONNX模型进行推理

ONNX Runtime是微软维护的一个跨平台推理引擎,可以直接加载并运行ONNX模型,支持不同的操作系统、CPU架构和AI加速设备。

import onnxruntime as ort
import torch
import mmcv
from mmcv.parallel import collate, scatter
from mmcls.datasets.pipelines import Copose
import numpy as np
session = ort.InferenceSession('resnet18.onnx', providers =['CUDAExecutionProvider']) 
cfg = mmcv.Config.fromfile('resnet18_8xb32_in1k. py')test _ pipeline = Compose(cfg.data.test.pipeline) 
input _ data = dict(img _ info=dict(filename='daisy.webp'), img _ prefix=None)
input _ data = test _ pipeline(input_data)
input _ data = collate([input_data], samples_per_gpu=1) 
input _ data = scatter(input_data ,[torch.device('cuda:0')])[0]
input _ data = input_data['img']
io_binding = session.io_binding()
io _ binding.bind_input(name='input', device_type='cuda',device_id=0,element_type=np.float32,shape=input_data.shape,buffer_ptr = input_data.data_ptr())
io_binding.bind_output('output') 
session.run_with_iobinding(io_binding)
scores = io_binding.copy_outputs_to_cpu()[0]
pred_score = np.max(scores, axis=1)[0]
pred _ label = np.argmax(scores ,axis =1)[0]
print(pred_score, pred_label)

使用TensorRT对ONNX模型进行推理

使用TensorRT部署ONNX模型时包括以下两个阶段:

  • Build Phase(构建阶段):对ONNX模型转换和优化,输出优化的模型;
trtexec --onnx=resnet18.onnx --saveEngine=resnet18.plan
  • Runtime Phase(运行时阶段):加载优化后模型,执行推理。

运行时阶段的详细过程如下图所示,首先创建运行时,然后加载构建阶段优化处理后的TensorRT模型生成engine,接着创建一个context,绑定输入输出,并准备好一个buffer,用来存预处理好的数据,最后执行计算进行前向推理。
在这里插入图片描述

提升推理效率的两个tricks

批处理

使用批处理(模型可以接受多张图放在一个batch中进行推理)可以提升推理效率,下面演示的是如何使用批处理将Pytorch模型转为ONNX模型的代码:

from mmcls.apis import init_model
import torchresnet18 = init_model('resnet18_8xb32_in1k.py',checkpoint='resnet18_8xb32_in1k_20210831-fbbb1da6.pth',device='cuda:0')
# 由于模型在训练过程中有drop_out,而且模型中BN层的参数会随着输入的变化而变化,推理的时候要消除这些影响,因此需要打开evaluation模式,起到使参数固定的作用
resnet18.eval()
x = torch.rand((1,3,224,224),device='cuda:0')
# 动态输入(批处理)
torch.onnx.export(resnet18, (x,False), 'batch_resnet18.onnx', input_names=['input'], output_names=['output'], opset_version=11, dynamic_axes=dict(input=dict({0:'batch'}),output=dict({0:'batch'})))

使用TensorRT对动态输入的模型进行推理时,在构建阶段需要使用以下代码进行优化和转换:

trtexec --onnx=batch_resnet18.onnx \--saveEngine=batch_resnet18.plan \--minShapes=input:1x3x224x224 \				#最小shape--optShapes=input:8x3x224x224 \				#最优shape--maxShapes=input:32x3x224x224 \			#最大shape--workspace=1024

量化

使用量化(即低精度模型)同样是提升推理效率的手段。这里的可以使用fp16、int8或int4,量化为fp16一般不会有精度损失。

trtexec --onnx=batch_resnet18.onnx \--fp16 \--saveEngine=batch_fp16_resnet18.plan \--minShapes=input:1x3x224x224 \				#最小shape--optShapes=input:8x3x224x224 \				#最优shape--maxShapes=input:32x3x224x224 \			#最大shape--workspace=1024
trtexec --onnx=batch_resnet18.onnx \--int8 \--calib=calibration.cache \--saveEngine=batch_int8_resnet18.plan \--minShapes=input:1x3x224x224 \				#最小shape--optShapes=input:8x3x224x224 \				#最优shape--maxShapes=input:32x3x224x224 \			#最大shape--workspace=1024

常见问题

  1. 避免在torch model中使用numpy或者python内置类型,使用torch.Tensor。
  2. 使用tensor.shape时,避免in-place操作。
  3. 推理框架对onnx支持能力各不相同,需要专门适配:Backend adapter。
  4. 算法迭代更新快,但推理框架对于算子的支持相对滞后:自定义算子。
  5. Pytorch的动态特性(分支、循环),增加部署难度:重写模块、函数或符号。

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