干货|手把手教你在NCS2上部署yolo v3-tiny检测模型

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来自 SIGAI 授权转载

如果说深度学习模型性能的不断提升得益于英伟达GPU的不断发展，那么模型的边缘部署可能就需要借助英特尔的边缘计算来解决。伴随交通、医疗、零售等行业中深度学习应用的发展，数据处理和智能分析逐渐从云端走向边缘。本人与大家分享一下英特尔的边缘计算方案，并实战部署yolo v3-tiny模型。

OpenVINO与NCS简介

早在2016年，英特尔收购了Movidius，并在2018年推出了两代神经计算棒（分别称为NCS和NCS2，统称NCS设备）。除了硬件，英特尔推出了OpenVINO深度学习部署工具包，并且在2018年下半年更新了5个版本，早期称为dldt[1]，其中包括模型优化器和推理引擎以及面向OpenCV和OpenVX的优化计算机视觉库。

图1：NCS和NCS2

NCS基于Mygrid2VPU，NCS2[2]是基于Mygrid X VPU，英特尔®Movidius™Myriad™X VPU是最新一代的英特尔®VPUs。它包括16个强大的处理内核（称为SHAVE内核）和专用的深度神经网络硬件加速器，用于高性能视觉和AI推理应用。

图2：NCS和NCS2性能比较

要在NCS设备上跑神经网络，可以使用Movidius SDK（ncsdkv1和ncsdkv2），ncsdkv2与ncsdkv1不兼容，ncsdkv1现在基本已经被弃用，并且ncsdkv1和ncsdkv2仅支持一代计算棒NCS，不支持NCS2，只有OpenVINO同时支持NCS和NCS2。OpenVINO实际上包含了Movidius SDK，相对于Movidius SDK一是增加了对深度学习功能的支持，其中包含一个深度学习的部署工具套件，里面包括了模型优化器和推理引擎；另外增加了对OpenCV、OpenVX等这些在传统计算机视觉领域用的比较普遍的函数库的支持，而且这些函数库都在英特尔的CPU上做了优化。与Movidius SDK相比，原来只是做编码、解码的加速，现在不仅能做编解码的加速，也能做视频处理工作，把Movidius SDK结合在一起，在整个流水线里面所用到的所有工具打在一起放到OpenVINO里面，让开发者只用一个工具把所有的需求都能满足[3]。

图3：NCSDK和OpenVINO工具包工作流程对比

OpenVINO和Movidius SDK的主要区别如下：

1. 环境变量：相对于Movidius SDK强制的修改bashrc添加Movidius SDK的工具到环境变量中，OpenVINO的做法更加人性化，单独将次操作写入setupvars.sh脚本，让用户自行选择是否以及何时添加环境变量

2. 支持框架：相对于Movidius SDK仅支持Caffe和TensorFlow，OpenVINO还支持MxNet、Kaldi和ONNX等模型的转换

3. API方面：Movidius SDK提供C和Python接口，OpenVINO提供C++和Python接口

4. 模型优化器：OpenVINO模型优化器可以自动执行与设备无关的优化，例如将BatchNorm和Scale融合到卷积中，在Movidius SDK转换前需自行融合后再转换模型。Movidius SDK提供三种工具来测试并转换模型，OpenVINO仅包含模型优化器mo.py用于转换IR中间过程文件（xml描述网络结构，bin包含权重和偏差二进制等数据），分析网络性能可以在运行程序的时候指定参数

5. 多NCS设备情况：Movidius SDK提供所有NCS列表，用程序员决定在特定的设备上进行推理，OpenVINO工具包根据设备负载向NCS设备分发推理任务，因此无需关心特定的NCS设备或者管理NCS设备

OpenVINO相对于Movidius SDK更加成熟完善，不足之处是目前除了树莓派[4]还无法在ARM上使用。如果你还没有使用过Movidius SDK，强烈建议你直接安装OpenVINO，如果你现在正在使用Movidius SDK，也推荐你更换为OpenVINO[6]。OpenVINO结合NCS或NCS2，在边缘设备部署深度学习模型妥妥的。

OpenVINO不仅有Windows版本，还有Linux、LinuxforFPGA、Raspberry版本。如果说ncsdk专门为NCS设备而生，OpenVINO则是Intel的产业布局中的重要一环，支持Intel CPU、NCS、NCS2、Movidius VPU、Intel GPU、FPGA等，借助于IR中间过程文件，可以在上述硬件上部署模型或者在跨两个处理器上部署异构模型（拆分模型）。

图4：OpenVINO工具包支持的硬件

啰啰嗦嗦介绍了这么多，关于模型优化器和推理引擎更加详细的介绍，请参考Developer Guide[7][8]。下面开始撸起袖子动手干起来。

Linux下安装OpenVINO

首先介绍下笔者使用的平台和软硬件信息：

处理器：Intel® Core™ i7-7700 CPU @ 3.60GHz × 8

操作系统：Ubuntu16.04 LTS x86_64

NCS设备：NCS、NCS2

OpenVINO：2018 R5 Linux版本[5]

安装过程这里不一一赘述[9]，下面说说一下需要注意的地方：

1. 如果已安装早期版本的OpenVINO，需要重新转换模型，不同版本编译出来的过程文件有差异，加载的模型的时候很可能会失败

2. 建议使用root账户避免Intel Media SDK权限问题，当然可以使用常规用户运行安装脚本，可以运行GUI安装向导或者命令行指令，笔者使用的是常规账户安装

3. 由于我们最后要使用NCS设备，注意在Select Components to install页面查看VPU相关选项是否打开

4. 如果使用root权限运行安装，OpenVINO安装在`/opt/intel/`目录，否则会在`/home/user/intel/`目录

5. 安装成功后会自动安装上OpenCV4.0.1，因此如果后续使用出现OpenCV版本冲突需要注意

6. 配置临时环境变量在终端执行source ~/intel/computer_vision_sdk/bin/setupvars.sh，关闭终端失效。也可以将上面语句添加到~/.bashrc文件末尾永久设置环境变量，因为OpenCV版本的问题建议配置临时环境变量

7. 配置模型优化器，可以一次为所有的框架配置也可以单独配置一个框架，仅在开发平台配置即可，目标平台无需配置

8. 配置NCS设备的USB udev rules ，建议使用安装页面中推荐的手动安装方式，注意如果在目标平台打开NCS设备失败，首先使用lsusb命令检查是否能找到NCS设备，没有厂商信息，只有设备编号，NCS的设备编号是‘03e7:2150’，NCS2的设备编号是‘03e7:2485’

9. 编译并运行例子程序验证安装是否成功，有些程序可能在NCS设备上运行失败，比如smart_classroom_demo，NCS设备上不支持批处理模式

yolo v3-tiny模型优化

关于yolo v3-tiny模型的原理和训练可以参考SIGAI的其他文章，这里不做介绍。下图表示了基于OpenVINO的深度学习部署流程，下面我们一步步来实现基于OpenVINO+NCS设备的yolo v3-tiny演示程序。

图5：OpenVINO部署工作流程

笔者手头yolo v3-tiny模型是darknet模型，输入图像尺寸是416*416，在VOC2007和VOC2012的train和val四个数据集进行训练，VOC2007的test数据集作为验证集。OpenVINO不支持darknet模型转换，因此首先需要将darknet模型转换为OpenVINO支持的模型，这里转换为caffe模型[10]，也可以转换为tensorflow模型[11]，当然也可以在tensorflow下直接训练[12]。从darknet转换caffe模型[10]，这里提几个转换要点：

1. 针对maxpool中size=2、stride=1的情况，由于darknet和caffe中计算输出尺寸公式不同，可以在caffe模型设置stride=1，kernel=3，pad=1，但是不建议这样进行转换，会有较大的精度损失。因此建议将这样的maxpool层size设置为3，并重新训练模型，转caffe时设置pad为darknet中pad/2

2. 训练时需要注意resize的方法，darknet默认的方法是letterbox，一般常规的resize方法是不等比例，训练和测试时使用的resize方法不一致，精度会降低很多

图6：两种resize模式（左图原图，中间不等比例resize，右图letterbox方式）

3. route层转换为concat层、shortcut层转换为eltwise层

4. 由于NCS设备和CPU不支持upsample层，因此将upsample层转换为deconvolution层，注意替换的过程，使用的是constant filler，value设置为1

5. yolo层不进行转换，有两种做法一是将yolo前面一层作为输出，yolo层在CPU上进行运算，二是可以将yolo层作为自定义层，本方案中采用第一种

6. 转换过程或多或少会有精度损失，因此转换完成后建议在caffe上重新测试精度，确定转换过程没有问题

完成caffe模型的转换，需要使用OpenVINO模型优化器将caffe模型转换为的OpenVINO中间过程IR文件，转换参数参考[13]注意以下两点：

1. OpenVINO输入网络的数据设置为U8，输入网络数据需要除以255进行归一化

2. OpenVINO在CPU下支持模型格式是FP32，NCS设备上支持的格式是FP16

python3 mo_caffe.py --input_proto yolo v3-tiny.prototxt --input_model yolo v3-tiny.caffemodel  --data_type FP16 --output_dir FP16 --model_name yolo v3-tiny --scale_value data[255.0]

至此完成模型的准备工作，还差最后一步。

yolo v3-tiny模型部署

在OpenVINO的例子程序中有yolo v3的演示程序，是基于tensorflow转换得到的yolo v3模型，可以参考该例子程序以及集成推理引擎步骤进行修改。

图7：应用程序中集成OpenVINO推理引擎的步骤

修改过程有几个需要注意的地方：

1. 训练模型时使用的resize模式是letterbox，OpenVINO支持的resize方式（bilinear、area）并不支持letterbox，因此需要在CPU上完成resize过程

2. 注意输入网络图像的三通道顺序，yolo v3-tiny输入网络的顺序是RGB

3. 输入网络配置为U8，NCHW模式，官网介绍中输入网络支持FP32，因此归一化也可以在CPU上进行

4. 输出网络配置为FP32，NCHW模式，由于CPU模式不支持FP16，因此这里为了统一CPU和NCS设备上代码，统一使用FP32

图8：左图caffe下测试结果，右图NCS2测试结果

yolo v3-tiny性能测试

既然转换模型成功，部署也成功了，当然需要评测一下速度和精度了。废话不多说，直接看下文。

精度测评，评价指标mAP

测试集VOC2007_test，共4952张图像，mAP计算过程与darknet一致：

表1 精度测评模型

* 上述在letterbox缩放方式下测试结果，当使用不等比例缩放时CPU上mAP下降到39.14%

* 从上表可以看出精度并没有太大变化

速度测评，评价指标FPS

有几个要点需要说明：

1. USB3.0接口，最好使用有源的USB Hub

2. OpenVINO支持同步模式和异步模式，所谓的同步模式就是传输一张图像等待网络输出，异步模式就是传输下一张图像并等待当前图像返回结果，这样节省部分传输等待时间，以下速度测试在异步模式下测试

3. 帧率是指全流程的速度，包含读取图像解码时间、图像缩放时间、YOLO层运算以及从YOLO层输出转换得到检测结果，也就是图7中中6-8步骤的时间

4. 缩放函数使用OpenCV，使用darknet中的浮点计算方法帧率降低一半

表2 速度测评模型

目前OpenVINO还在开发中，本文资料针对R5版本适用，好了啰嗦这么多希望对大家有所帮助。暂时还不方便公开代码，请见谅，给大家推荐一个公开的通过tensorflow转换到OpenVINO的程序[14]。

参考资料

1. OpenVINO源码：

    https://github.com/opencv/dldt

2. NCS2：

    https://ncsforum.movidius.com/discussion/1302/intel-neural-compute-stick-2-information

3. OpenVINO与Movidius SDK的区别：    

    https://www.xianjichina.com/news/details_80102.html

4. Raspberry版本下载：

    https://software.intel.com/en-us/articles/OpenVINO-Install-RaspberryPI

5. OpenVINO下载：

    https://software.intel.com/en-us/openvino-toolkit/choose-download/free-download-linux

6. 从sdk过渡到OpenVINO: 

    https://software.intel.com/en-us/articles/transitioning-from-intel-movidius-neural-compute-sdk-to-openvino-toolkit

7. 模型优化器Developer Guide：

    https://software.intel.com/en-us/articles/OpenVINO-ModelOptimizer

8. 推理引擎Developer Guide：

    https://software.intel.com/en-us/articles/OpenVINO-InferEngine

9. Linux安装OpenVINO：

    https://software.intel.com/en-us/articles/OpenVINO-Install-Linux

10. darknet转caffe：https://github.com/marvis/pytorch-caffe-darknet-convert

11. darknet转tensorflow：

    https://github.com/mystic123/tensorflow-yolo-v3.git

12. tensorflow下训练yolo v3-tiny：

    https://github.com/YunYang1994/tensorflow-yolo v3

13. OpenVINO转换caffe模型参考： 

    https://software.intel.com/en-us/articles/OpenVINO-Using-Caffe

14. OpenVINO+tensorflow+yolo v3/yolo v3-tiny：

    https://github.com/PINTO0309/OpenVINO-Yolo V3