鲁棒性的单目深度估计: Mixing Datasets for Zero-shot Cross-dataset Transfer

Towards Robust Monocular Depth Estimation: Mixing Datasets for Zero-shot Cross-dataset Transfer, TPAMI 2022

MiDaS v3.1https://github.com/isl-org/MiDaS(最近也在更新)

Hugging Face

这篇文章提出了一种监督的深度估计方法,其中使用一些很有价值的策略使得最后深度估计的结果具有较大提升。具体来讲文章的策略可以归纳为:
1)数据集 : 现有的深度数据集的场景不够丰富, 不能训练出一个在任意场景下都健壮的模型. 因此作者选择结合这些数据集。使用多个深度数据集(各自拥有不同的scale和shift属性)加入进行训练,增大数据量与实现场景的互补

但是组合这些数据集有三个挑战:

  • 深度表达不同, 有的是0表示最近, 有的是0表示最远
  • 部分数据集没有提供缩放信息
  • 部分数据集提供了单张图像的相对深度(disparity), 但是跨数据集的相对深度无法直接转换


2)提出了一种scale-shift invariable的loss(具有深度和偏移不变性的损失函数)用于去监督深度的回归过程,从而使得可以更加有效使用现有数据;
3)采用从3D电影中进行采样的方式扩充数据集,从而进一步增加数据量;
4)使用带有原则属性的多目标训练方法,从而得到一种更加行之有效的优化方法;
结合上述的优化策略与方法,文章的最后得到的模型具有较强的泛化能力,从而摆脱了之前一些公开数据集场景依赖严重的问题。

优势:

  1. 问题的转化
    为了解决数据本身存在深度不一致的问题, 转化成设计一个对深度不敏感的loss
  2. 预训练模型
    可以直接得到任意单张图像的深度信息, 用于下游任务的训练, 

效果:

Single-View View Synthesis :图片-网络-深度图-网络-新视点

Single-View View Synthesis in the Wild with Learned Adaptive
Multiplane Images SIGGRAPH 2022.

现有方法已经显示出利用单眼深度估计和具有分层深度表示的颜色修复的有希望的结果。 然而,这些方法处理复杂3D 几何场景的能力仍然有限。 我们提出了一种基于多平面的新方法图像 (MPI) 表示。适应野外场景布局多样化,解决高维MPI内容生成难的问题,我们设计了一个网络结构,由两部分组成,一个用于平面深度调整,另一个用于深度感知颜色预测。前者使用 RGBD 上下文特征和注意机制调整初始平面位置。 给定调整后的深度值,后者通过特征屏蔽策略实现适当的平面间交互,分别预测每个平面的颜色和密度。

为了训练我们的方法,我们通过简单而有效的 warp-back 策略仅使用不受约束的单视图图像集合来构建大规模立体训练数据。 在合成数据集和真实数据集上进行的实验表明,我们训练的模型效果非常好,并取得了最先进的结果

Code:https://github.com/yxuhan/AdaMPI

网络结构:

训练过程:

结果:

TorchScript—模型部署

摘自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/486914187

官网:https://pytorch.org/docs/stable/jit.html

PyTorch 无疑是现在最成功的深度学习训练框架之一,是各种顶会顶刊论文实验的大热门。比起其他的框架,PyTorch 最大的卖点是它对动态网络的支持,比其他需要构建静态网络的框架拥有更低的学习成本。PyTorch 源码 Readme 中还专门为此做了一张动态图:


对研究员而言, PyTorch 能极大地提高想 idea、做实验、发论文的效率,是训练框架中的豪杰,但是它不适合部署。动态建图带来的优势对于性能要求更高的应用场景而言更像是缺点,非固定的网络结构给网络结构分析并进行优化带来了困难,多数参数都能以 Tensor 形式传输也让资源分配变成一件闹心的事。另外由于图是由 python 代码构建的,一方面部署要依赖 python 环境,另一方面模型也毫无保密性可言。

而 TorchScript 就是为了解决这个问题而诞生的工具。包括代码的追踪及解析、中间表示的生成、模型优化、序列化等各种功能,可以说是覆盖了模型部署的方方面面。

TorchScript

动态图模型通过牺牲一些高级特性来换取易用性,那到底 JIT 有哪些特性,在什么情况下不得不用到 JIT 呢?下面主要通过介绍 TorchScript(PyTorch 的 JIT 实现)来分析 JIT 到底带来了哪些好处。

  1. 模型部署

PyTorch 的 1.0 版本发布的最核心的两个新特性就是 JIT 和 C++ API,这两个特性一起发布不是没有道理的,JIT 是 Python 和 C++ 的桥梁,我们可以使用 Python 训练模型,然后通过 JIT 将模型转为语言无关的模块,从而让 C++ 可以非常方便得调用,从此「使用 Python 训练模型,使用 C++ 将模型部署到生产环境」对 PyTorch 来说成为了一件很容易的事。而因为使用了 C++,我们现在几乎可以把 PyTorch 模型部署到任意平台和设备上:树莓派、iOS、Android 等等…

2. 性能提升

既然是为部署生产所提供的特性,那免不了在性能上面做了极大的优化,如果推断的场景对性能要求高,则可以考虑将模型(torch.nn.Module)转换为 TorchScript Module,再进行推断。

3. 模型可视化

TensorFlow 或 Keras 对模型可视化工具(TensorBoard等)非常友好,因为本身就是静态图的编程模型,在模型定义好后整个模型的结构和正向逻辑就已经清楚了;但 PyTorch 本身是不支持的,所以 PyTorch 模型在可视化上一直表现得不好,但 JIT 改善了这一情况。现在可以使用 JIT 的 trace 功能来得到 PyTorch 模型针对某一输入的正向逻辑,通过正向逻辑可以得到模型大致的结构,但如果在 `forward` 方法中有很多条件控制语句,这依然不是一个好的方法,所以 PyTorch JIT 还提供了 Scripting 的方式。

TorchScript Module 的两种生成方式

1. 编码(Scripting)

可以直接使用 TorchScript Language 来定义一个 PyTorch JIT Module,然后用 torch.jit.script 来将他转换成 TorchScript Module 并保存成文件。而 TorchScript Language 本身也是 Python 代码,所以可以直接写在 Python 文件中。

使用 TorchScript Language 就如同使用 TensorFlow 一样,需要前定义好完整的图。对于 TensorFlow 我们知道不能直接使用 Python 中的 if 等语句来做条件控制,而是需要用 tf.cond,但对于 TorchScript 我们依然能够直接使用 if 和 for 等条件控制语句,所以即使是在静态图上,PyTorch 依然秉承了「易用」的特性。TorchScript Language 是静态类型的 Python 子集,静态类型也是用了 Python 3 的 typing 模块来实现,所以写 TorchScript Language 的体验也跟 Python 一模一样,只是某些 Python 特性无法使用(因为是子集),可以通过 TorchScript Language Reference 来查看和原生 Python 的异同。

理论上,使用 Scripting 的方式定义的 TorchScript Module 对模型可视化工具非常友好,因为已经提前定义了整个图结构。

2. 追踪(Tracing)

使用 TorchScript Module 的更简单的办法是使用 Tracing,Tracing 可以直接将 PyTorch 模型(torch.nn.Module)转换成 TorchScript Module。「追踪」顾名思义,就是需要提供一个「输入」来让模型 forward 一遍,以通过该输入的流转路径,获得图的结构。这种方式对于 forward 逻辑简单的模型来说非常实用,但如果 forward 里面本身夹杂了很多流程控制语句,则可能会有问题,因为同一个输入不可能遍历到所有的逻辑分枝。

此外,还可以混合使用上面两种方式。

模型转换

作为模型部署的一个范式,通常我们都需要生成一个模型的中间表示(IR),这个 IR 拥有相对固定的图结构,所以更容易优化,让我们看一个例子:

import torch 
from torchvision.models import resnet18 
 
# 使用PyTorch model zoo中的resnet18作为例子 
model = resnet18() 
model.eval() 
 
# 通过trace的方法生成IR需要一个输入样例 
dummy_input = torch.rand(1, 3, 224, 224) 
 
# IR生成 
with torch.no_grad(): 
    jit_model = torch.jit.trace(model, dummy_input) 

JIT 是一种概念,全称是 Just In Time Compilation,中文译为「即时编译」,是一种程序优化的方法

到这里就将 PyTorch 的模型转换成了 TorchScript 的 IR。这里我们使用了 trace 模式来生成 IR,所谓 trace 指的是进行一次模型推理,在推理的过程中记录所有经过的计算,将这些记录整合成计算图。

那么这个 IR 中到底都有些什么呢?我们可以可视化一下其中的 layer1 看看:

jit_layer1 = jit_model.layer1 
print(jit_layer1.graph) 
 
# graph(%self.6 : __torch__.torch.nn.modules.container.Sequential, 
#       %4 : Float(1, 64, 56, 56, strides=[200704, 3136, 56, 1], requires_grad=0, device=cpu)): 
#   %1 : __torch__.torchvision.models.resnet.___torch_mangle_10.BasicBlock = prim::GetAttr[name="1"](%self.6) 
#   %2 : __torch__.torchvision.models.resnet.BasicBlock = prim::GetAttr[name="0"](%self.6) 
#   %6 : Tensor = prim::CallMethod[name="forward"](%2, %4) 
#   %7 : Tensor = prim::CallMethod[name="forward"](%1, %6) 
#   return (%7) 

是不是有点摸不着头脑?TorchScript 有它自己对于 Graph 以及其中元素的定义,对于第一次接触的人来说可能比较陌生,但是没关系,我们还有另一种可视化方式:

print(jit_layer1.code) 
 
# def forward(self, 
#     argument_1: Tensor) -> Tensor: 
#   _0 = getattr(self, "1") 
#   _1 = (getattr(self, "0")).forward(argument_1, ) 
#   return (_0).forward(_1, ) 

没错,就是代码!TorchScript 的 IR 是可以还原成 python 代码的,如果你生成了一个 TorchScript 模型并且想知道它的内容对不对,那么可以通过这样的方式来做一些简单的检查。

刚才的例子中我们使用 trace 的方法生成IR。除了 trace 之外,PyTorch 还提供了另一种生成 TorchScript 模型的方法:script。这种方式会直接解析网络定义的 python 代码,生成抽象语法树 AST,因此这种方法可以解决一些 trace 无法解决的问题,比如对 branch/loop 等数据流控制语句的建图。script方式的建图有很多有趣的特性,会在未来的分享中做专题分析,敬请期待。

模型优化

聪明的同学可能发现了,上面的可视化中只有resnet18forward的部分,其中的子模块信息是不是丢失了呢?如果没有丢失,那么怎么样才能确定子模块的内容是否正确呢?别担心,还记得我们说过 TorchScript 支持对网络的优化吗,这里我们就可以用一个pass解决这个问题:

# 调用inline pass,对graph做变换 
torch._C._jit_pass_inline(jit_layer1.graph) 
print(jit_layer1.code) 
 
# def forward(self, 
#     argument_1: Tensor) -> Tensor: 
#   _0 = getattr(self, "1") 
#   _1 = getattr(self, "0") 
#   _2 = _1.bn2 
#   _3 = _1.conv2 
#   _4 = _1.bn1 
#   input = torch._convolution(argument_1, _1.conv1.weight, None, [1, 1], [1, 1], [1, 1], False, [0, 0], 1, False, False, True, True) 
#   _5 = _4.running_var 
#   _6 = _4.running_mean 
#   _7 = _4.bias 
#   input0 = torch.batch_norm(input, _4.weight, _7, _6, _5, False, 0.10000000000000001, 1.0000000000000001e-05, True) 
#   input1 = torch.relu_(input0) 
#   input2 = torch._convolution(input1, _3.weight, None, [1, 1], [1, 1], [1, 1], False, [0, 0], 1, False, False, True, True) 
#   _8 = _2.running_var 
#   _9 = _2.running_mean 
#   _10 = _2.bias 
#   out = torch.batch_norm(input2, _2.weight, _10, _9, _8, False, 0.10000000000000001, 1.0000000000000001e-05, True) 
#   input3 = torch.add_(out, argument_1, alpha=1) 
#   input4 = torch.relu_(input3) 
#   _11 = _0.bn2 
#   _12 = _0.conv2 
#   _13 = _0.bn1 
#   input5 = torch._convolution(input4, _0.conv1.weight, None, [1, 1], [1, 1], [1, 1], False, [0, 0], 1, False, False, True, True) 
#   _14 = _13.running_var 
#   _15 = _13.running_mean 
#   _16 = _13.bias 
#   input6 = torch.batch_norm(input5, _13.weight, _16, _15, _14, False, 0.10000000000000001, 1.0000000000000001e-05, True) 
#   input7 = torch.relu_(input6) 
#   input8 = torch._convolution(input7, _12.weight, None, [1, 1], [1, 1], [1, 1], False, [0, 0], 1, False, False, True, True) 
#   _17 = _11.running_var 
#   _18 = _11.running_mean 
#   _19 = _11.bias 
#   out0 = torch.batch_norm(input8, _11.weight, _19, _18, _17, False, 0.10000000000000001, 1.0000000000000001e-05, True) 
#   input9 = torch.add_(out0, input4, alpha=1) 
#   return torch.relu_(input9) 

这里我们就能看到卷积、batch_norm、relu等熟悉的算子了。

上面代码中我们使用了一个名为inlinepass,将所有子模块进行内联,这样我们就能看见更完整的推理代码。pass是一个来源于编译原理的概念,一个 TorchScript 的 pass 会接收一个图,遍历图中所有元素进行某种变换,生成一个新的图。我们这里用到的inline起到的作用就是将模块调用展开,尽管这样做并不能直接影响执行效率,但是它其实是很多其他pass的基础。PyTorch 中定义了非常多的 pass 来解决各种优化任务,未来我们会做一些更详细的介绍。

序列化

不管是哪种方法创建的 TorchScript 都可以进行序列化,比如:

# 将模型序列化 
jit_model.save('jit_model.pth') 
# 加载序列化后的模型 
jit_model = torch.jit.load('jit_model.pth') 

序列化后的模型不再与 python 相关,可以被部署到各种平台上。

PyTorch 提供了可以用于 TorchScript 模型推理的 c++ API,序列化后的模型终于可以不依赖 python 进行推理了:

// 加载生成的torchscript模型 
auto module = torch::jit::load('jit_model.pth'); 
// 根据任务需求读取数据 
std::vector<torch::jit::IValue> inputs = ...; 
// 计算推理结果 
auto output = module.forward(inputs).toTensor(); 

与 torch.onnx 的关系:ONNX 是业界广泛使用的一种神经网络中间表示,PyTorch 自然也对 ONNX 提供了支持。torch.onnx.export函数可以帮助我们把 PyTorch 模型转换成 ONNX 模型,这个函数会使用 trace 的方式记录 PyTorch 的推理过程。聪明的同学可能已经想到了,没错,ONNX 的导出,使用的正是 TorchScript 的 trace 工具。具体步骤如下:

  1. 使用 trace 的方式先生成一个 TorchScipt 模型,如果你转换的本身就是 TorchScript 模型,则可以跳过这一步。
  2. 使用许多 pass 对 1 中生成的模型进行变换,其中对 ONNX 导出最重要的一个 pass 就是ToONNX,这个 pass 会进行一个映射,将 TorchScript 中primaten空间下的算子映射到onnx空间下的算子。
  3. 使用 ONNX 的 proto 格式对模型进行序列化,完成 ONNX 的导出。

D-NeRF—针对动态场景的NeRF

主页:https://www.albertpumarola.com/research/D-NeRF/index.html

https://github.com/albertpumarola/D-NeRF

D-NeRF: Neural Radiance Fields for Dynamic Scenes https://arxiv.org/abs/2011.13961

Abstract


NeRF只能重建静态场景,本文提出的方法可以把神经辐射场扩展到动态领域,可以在单相机围绕场景旋转一周的情况下重建物体的刚性和非刚性运动。由此把时间作为附加维度加到输入中,同时把学习过程分为两个阶段:第一个把场景编码到基准空间,另一个在特定时间把这种基准表达形式map到变形场景中。两个map都用fcn学习,训练完后可以通过控制相机视角和时间变量达到物体运动的效果。

Introduction

和已有的4d方式不同点有:

  • 只需单相机
  • 无需预先算好一个三维重建
  • 可以端到端

想做的就是在原始nerf五维输入上加个时间t,完成

到density和radiance的输出。不过如果直接加,时间冗余没有很好的利用,效果并不好。所以分两个模块:

而且可以产生完整三维mesh,捕捉时变几何。

Pipeline

Formulation

Method


Canonical network(规范网络)

希望找到一种场景的表示能把所有图的相关点的信息都汇聚起来。网络 Ψx 用来编码基准空间中的密度和颜色,给一个坐标x,通过fcn输出256维向量再和d concatenate起来输出density和color


Deformation network(变形网络)

Ψt 训练用来估计某一具体时刻的场景和基准空间中场景的变形场(deformation field),给一个坐标x,输出是这个点和基准空间中的这个点的位移。并且把基准空间场景设为t=0

也用了位置编码,x十维,d,t都是四维

Volume rendering

带时间的渲染公式为:

p(ℎ,t) 表示canonical space中由x(h)变换来的点所以其实渲染的时候还是在canonical space里边进行渲染的离散化形式。

Experiment


可以出mesh,depth:

还可以合成阴影:

相比其他方法:

MPViT : Multi-Path Vision Transformer for Dense Prediction

https://arxiv.org/abs/2112.11010(CVPR2022)

https://github.com/youngwanLEE/MPViT

Introduction

  • 在这项工作中,作者以不同于现有Transformer的视角,探索多尺度path embedding与multi-path结构,提出了Multi-path Vision Transformer(MPViT)
  • 通过使用 overlapping convolutional patch embedding,MPViT同时嵌入相同大小的patch特征。然后,将不同尺度的Token通过多条路径独立地输入Transformer encoders,并对生成的特征进行聚合,从而在同一特征级别上实现精细和粗糙的特征表示。
  • 在特征聚合步骤中,引入了一个global-to-local feature interaction(GLI)过程,该过程将卷积局部特征与Transformer的全局特征连接起来,同时利用了卷积的局部连通性和Transformer的全局上下文。

Vision Transformers for dense predictions.

  • 密集的计算机视觉任务,如目标检测和分割,需要有效的多尺度特征表示,以检测或分类不同大小的物体或区域。Vision Transformer(ViT)构建了一个简单的多阶段结构(即精细到粗糙),用于使用单尺度patch的多尺度表示。然而ViT的变体专注于降低自注意的二次复杂度,较少关注构建有效的多尺度表示。
  • CoaT通过使用一种co-scale机制,同时表示精细和粗糙的特征,允许并行地跨层注意,从而提高了检测性能。然而,co-scale机制需要大量的计算和内存开销,因为它为基础模型增加了额外的跨层关注(例如,CoaT-Lite)。因此,对于ViT体系结构的多尺度特征表示仍有改进的空间。

Comparison to Concurrent work.

  • CrossViT利用了不同的patch大小和单级结构中的双路径,如ViT和XCiT。然而,CrossViT的分支之间的相互作用只通过[CLS]token发生,而MPViT允许所有不同规模的patch相互作用。此外,与CrossViT(仅限分类)不同的是,MPViT更普遍地探索更大的路径维度(例如,超过两个维度),并采用多阶段结构进行密集预测。

Method

Conv-stem

输入图像大小为:H×W×3,两层卷积:采用两个3×3的卷积,通道分别为C2/2,C2,stride为2,生成特征的大小为H/4×W/4×C2,其中C2为stage 2的通道大小。

  • 说明:每个卷积之后都是Batch Normalization 和一个Hardswish激活函数。
  • In LeViT , a convolutional stem block shows better low-level representation (i.e., without losing salient information) than non-overlapping patch embedding.

从stage 2到stage 5,作者在每个阶段对所提出的Multi-scale Patch Embedding(MS-PatchEmbed)和Multi-path Transformer(MP-Transformer)块进行堆叠

Multi-Scale Patch Embedding

通过改变stride和padding来调整token的序列长度。也就是说,可以输出具有不同patch大小的相同大小(即分辨率)的特征。因此,作者并行地形成了几个具有不同卷积核大小的卷积patch embedding层。例如,如图1所示,可以生成相同序列长度的不同大小的vision token,patch大小分别为3×3,5×5,7×7。

由于具有相同通道和滤波器大小的连续卷积操作扩大了接受域,并且需要更少的参数,在实践中选择了连续的3×3卷积层。为了减少参数量,在实践中选择了两个连续的3×3卷积层代替5×5卷积。对于triple-path结构,使用三个连续的3×3卷积,通道大小为C’,padding为1,步幅为s,其中s在降低空间分辨率时为2,否则为1。

  • 说明:为了减少模型参数和计算开销,采用3×3深度可分离卷积,包括3×3深度卷积和1×1点卷积。
  • 每个卷积之后都是Batch Normalization 和一个Hardswish激活函数。

接着,不同大小的token embedding features 分别输入到transformer encoder中。

Multi-path Transformer

原因:Transformer中的self-attention可以捕获长期依赖关系(即全局上下文),但它很可能会忽略每个patch中的结构性信息和局部关系。相反,cnn可以利用平移不变性中的局部连通性,使得CNN在对视觉对象进行分类时,对纹理有更强的依赖性,而不是形状。

因此,MPViT以一种互补的方式将CNN与Transformer结合起来。

  • 为了表示局部特征 
  • 采用了一个 depthwise residual bottleneck block,包括1×1卷积、3×3深度卷积和1×1卷积和残差连接。
  • 为了减轻多路径结构的计算负担,使用了CoaT中提出的有效的因素分解自注意:

Global-to-Local Feature Interaction

将局部特征和全局特征聚合起来:

为了保持可比性的参数和FLOPs,增加路径的数量需要减少通道C或层数L(即,transformer encoder的数量)。作者通过减少C而不是L,从单路径(即CoaT-Lite baseline)扩展到triple-path。在消融研究中,验证了减少C比减少L获得更好的性能(见表5)。由于stage2的特征分辨率较高,导致计算成本较高,作者在stage2中将triple-path模型的路径数设置为2。从stage3开始,三路径模型有3条路径。

作者还发现,虽然 triple-path和双路径在ImageNet分类中产生相似的精度,但 triple-path模型在密集预测任务中表现出更好的性能。因此,建立了基于 triple-path结构的MPViT模型。MPViT的详细情况见表1。

Experiments

Ablation study

对MPViT-XS的每个组件进行消融研究,以研究提出的多路径结构对图像分类和使用Mask R-CNN检测的有效性。

Exploring path dimension.

SynSin:单张图片端到端新视点重建

整体思路:图片-网络-深度图->(直接转换)点云-网络-新视点(CVPR2020)

SynSin: End-to-end View Synthesis from a Single Image

项目主页: https://www.robots.ox.ac.uk/~ow/synsin.html

来自牛津大学、FAIR、Facebook 和密歇根大学的研究者提出了一种单一图像视图合成方法,允许从单一输入图像生成新的场景视图。它被训练在真实的图像上,没有使用任何真实的 3D 信息;引入了一种新的可微点云渲染器,用于将潜在的 3D 点云特征转换为目标视图;细化网络对投影特征进行解码,插入缺失区域,生成逼真的输出图像;生成模型内部的 3D 组件允许在测试时对潜在特征空间进行可解释的操作,例如,可以从单个图像动画轨迹。与以前的工作不同,SynSin 可以生成高分辨率的图像,并推广到其他输入分辨率,在 Matterport、Replica 和 RealEstate10K 数据集上超越基线和前期工作。

整体网络:

首先将图片输入特征和深度网络得到特征map和深度图,接着通过相机参数变换为带特征的点云,接着根据相对变换矩阵T,将带特征的点云渲染到二维像素位置上,接着通过一个GAN生成最终的新视角图片。

该论文的渲染方式值得关注,其并不是简单的使用zbuffer和固定投影像素位置渲染的,在z深度和平面广度上都是软映射的。平面广度上是线性递减的辐射,在深度上取k近邻并排序后,按照次序递减:

这种软渲染的方式估计会牺牲较大的渲染精度,但是对于优化问题来说非常合适不过。

总结:构建了一个先进的端到端模型SynSin,它可以获取单个RGB图像,然后从不同的角度生成同一场景的新图像,无需任何3D监督。我们系统主要是预测一个3D点云,后者通过PyTorch3D使用我们的可微渲染器投射到新的视图上,并且将渲染的点云传递到生成对抗网络(GAN)来合成输出图像。当前的方法通常是使用密集体素网格,它们在单个对象的合成场景中显示出优秀的应用前景,但无法扩展到复杂的真实场景。利用点云的灵活性,SynSin不仅能够实现这一点,而且比体素网格等替代方法更有效地推广到各种分辨率。SynSin的高效率可以帮助我们探索广泛的应用,如生成更好的3D照片和360度视频。

ONNX 模型的修改与调试

转自:模型部署入门教程(五):ONNX 模型的修改与调试

一直以来,我们都是通过 PyTorch 来导出 ONNX 模型的,基本没有单独探究过 ONNX 模型的构造知识。
不知道大家会不会有这样一些疑问:ONNX 模型在底层是用什么格式存储的?如何不依赖深度学习框架,只用 ONNX 的 API 来构造一个 ONNX 模型?如果没有源代码,只有一个 ONNX 模型,该如何对这个模型进行调试?别急,今天我们就来为大家一一揭晓。
在这期教程里,我们将围绕 ONNX 这一套神经网络定义标准本身,探究 ONNX 模型的构造、读取、子模型提取、调试。首先,我们会学习 ONNX 的底层表示方式。之后,我们会用 ONNX API 构造和读取模型。最后,我们会利用 ONNX 提供的子模型提取功能,学习如何调试 ONNX 模型。

ONNX 的底层实现

ONNX 的存储格式

ONNX 在底层是用 Protobuf 定义的。Protobuf,全称 Protocol Buffer,是 Google 提出的一套表示和序列化数据的机制。使用 Protobuf 时,用户需要先写一份数据定义文件,再根据这份定义文件把数据存储进一份二进制文件。可以说,数据定义文件就是数据类,二进制文件就是数据类的实例。
这里给出一个 Protobuf 数据定义文件的例子:

message Person { 
  required string name = 1; 
  required int32 id = 2; 
  optional string email = 3; 
} 

这段定义表示在 Person 这种数据类型中,必须包含 nameid 这两个字段,选择性包含 email字段。根据这份定义文件,用户就可以选择一种编程语言,定义一个含有成员变量 nameidemail 的 Person 类,把这个类的某个实例用 Protobuf 存储成二进制文件;反之,用户也可以用二进制文件和对应的数据定义文件,读取出一个 Person 类的实例。
而对于 ONNX ,Protobuf 的数据定义文件在其开源库,这些文件定义了神经网络中模型、节点、张量的数据类型规范;而二进制文件就是我们熟悉的“.onnx”文件,每一个 onnx 文件按照数据定义规范,存储了一个神经网络的所有相关数据。直接用 Protobuf 生成 ONNX 模型还是比较麻烦的。幸运的是,ONNX 提供了很多实用 API,我们可以在完全不了解 Protobuf 的前提下,构造和读取 ONNX 模型。


ONNX 的结构定义


在用 API 对 ONNX 模型进行操作之前,我们还需要先了解一下 ONNX 的结构定义规则,学习一下 ONNX 在 Protobuf 定义文件里是怎样描述一个神经网络的。
回想一下,神经网络本质上是一个计算图。计算图的节点是算子,边是参与运算的张量。而通过可视化 ONNX 模型,我们知道 ONNX 记录了所有算子节点的属性信息,并把参与运算的张量信息存储在算子节点的输入输出信息中。事实上,ONNX 模型的结构可以用类图大致表示如下:

如图所示,一个 ONNX 模型可以用 ModelProto 类表示。ModelProto 包含了版本、创建者等日志信息,还包含了存储计算图结构的 graphGraphProto 类则由输入张量信息、输出张量信息、节点信息组成。张量信息 ValueInfoProto 类包括张量名、基本数据类型、形状。节点信息 NodeProto 类包含了算子名、算子输入张量名、算子输出张量名。
让我们来看一个具体的例子。假如我们有一个描述 output=a*x+b 的 ONNX 模型 model,用 print(model) 可以输出以下内容:

ir_version: 8 
graph { 
  node { 
    input: "a" 
    input: "x" 
    output: "c" 
    op_type: "Mul" 
  } 
  node { 
    input: "c" 
    input: "b" 
    output: "output" 
    op_type: "Add" 
  } 
  name: "linear_func" 
  input { 
    name: "a" 
    type { 
      tensor_type { 
        elem_type: 1 
        shape { 
          dim {dim_value: 10} 
          dim {dim_value: 10} 
        } 
      } 
    } 
  } 
  input { 
    name: "x" 
    type { 
      tensor_type { 
        elem_type: 1 
        shape { 
          dim {dim_value: 10} 
          dim {dim_value: 10} 
        } 
      } 
    } 
  } 
  input { 
    name: "b" 
    type { 
      tensor_type { 
        elem_type: 1 
        shape { 
          dim {dim_value: 10} 
          dim {dim_value: 10} 
        } 
      } 
    } 
  } 
  output { 
    name: "output" 
    type { 
      tensor_type { 
        elem_type: 1 
        shape { 
          dim { dim_value: 10} 
          dim { dim_value: 10} 
        } 
      } 
    } 
  } 
} 
opset_import {version: 15} 

对应上文中的类图,这个模型的信息由 ir_versionopset_import 等全局信息和 graph 图信息组成。而 graph 包含一个乘法节点、一个加法节点、三个输入张量 a, x, b 以及一个输出张量 output。在下一节里,我们会用 API 构造出这个模型,并输出这段结果。

读写 ONNX 模型

构造 ONNX 模型


在上一小节中,我们知道了 ONNX 模型是按以下的结构组织起来的:

  • ModelProto
    • GraphProto
      • NodeProto
      • ValueInfoProto

现在,让我们抛开 PyTorch,尝试完全用 ONNX 的 Python API 构造一个描述线性函数 output=a*x+b 的 ONNX 模型。我们将根据上面的结构,自底向上地构造这个模型。
首先,我们可以用 helper.make_tensor_value_info 构造出一个描述张量信息的 ValueInfoProto 对象。如前面的类图所示,我们要传入张量名、张量的基本数据类型、张量形状这三个信息。在 ONNX 中,不管是输入张量还是输出张量,它们的表示方式都是一样的。因此,这里我们用类似的方式为三个输入 a, x, b 和一个输出 output 构造 ValueInfoProto 对象。如下面的代码所示:

import onnx 
from onnx import helper 
from onnx import TensorProto 
 
a = helper.make_tensor_value_info('a', TensorProto.FLOAT, [10, 10]) 
x = helper.make_tensor_value_info('x', TensorProto.FLOAT, [10, 10]) 
b = helper.make_tensor_value_info('b', TensorProto.FLOAT, [10, 10]) 
output = helper.make_tensor_value_info('output', TensorProto.FLOAT, [10, 10]) 

之后,我们要构造算子节点信息 NodeProto,这可以通过在 helper.make_node 中传入算子类型、输入算子名、输出算子名这三个信息来实现。我们这里先构造了描述 c=a*x 的乘法节点,再构造了 output=c+b 的加法节点。如下面的代码所示:

mul = helper.make_node('Mul', ['a', 'x'], ['c']) 
add = helper.make_node('Add', ['c', 'b'], ['output']) 

在计算机中,图一般是用一个节点集和一个边集表示的。而 ONNX 巧妙地把边的信息保存在了节点信息里,省去了保存边集的步骤。在 ONNX 中,如果某节点的输入名和之前某节点的输出名相同,就默认这两个节点是相连的。如上面的例子所示:Mul 节点定义了输出 cAdd 节点定义了输入 c,则 Mul 节点和 Add 节点是相连的。
正是因为有这种边的隐式定义规则,所以 ONNX 对节点的输入有一定的要求:一个节点的输入,要么是整个模型的输入,要么是之前某个节点的输出。如果我们把 a, x, b 中的某个输入节点从计算图中拿出(这个操作会在之后的代码中介绍),或者把 Mul 的输出从 c 改成 d,则最终的 ONNX 模型都是不满足标准的。

一个不满足标准的 ONNX 模型可能无法被推理引擎正确识别。ONNX 提供了 API onnx.checker.check_model 来判断一个 ONNX 模型是否满足标准。

接下来,我们用 helper.make_graph 来构造计算图 GraphProtohelper.make_graph 函数需要传入节点、图名称、输入张量信息、输出张量信息这 4 个参数。如下面的代码所示,我们把之前构造出来的 NodeProto 对象和 ValueInfoProto 对象按照顺序传入即可。

graph = helper.make_graph([mul, add], 'linear_func', [a, x, b], [output]) 

这里 make_graph 的节点参数有一个要求:计算图的节点必须以拓扑序给出。

拓扑序是与有向图的相关的数学概念。如果按拓扑序遍历所有节点的话,能保证每个节点的输入都能在之前节点的输出里找到(对于 ONNX 模型,我们把计算图的输入张量也看成“之前的输出”)。

如果对这个概念不熟也没有关系,我们以刚刚构造出来的这个计算图为研究对象,通过下图展示的两个例子来直观理解拓扑序。

这里我们只关注 Mul 和 Add 节点以及它们之间的边 c。在情况 1 中:如果我们的节点以 [Mul, Add] 顺序给出,那么遍历到 Add 时,它的输入 c 可以在之前的Mul的输出中找到。但是,如情况 2 所示:如果我们的节点以 [Add, Mul] 的顺序给出,那么 Add 就找不到输入边,计算图也无法成功构造出来了。这里的 [Mul, Add] 就是符合有向图的拓扑序的,而 [Add, Mul] 则不满足。

最后,我们用 helper.make_model 把计算图 GraphProto 封装进模型 ModelProto 里,一个 ONNX 模型就构造完成了。make_model 函数中还可以添加模型制作者、版本等信息,为了简单起见,我们没有添加额外的信息。如下面的代码所示:

model = helper.make_model(graph) 

构造完模型之后,我们用下面这三行代码来检查模型正确性、把模型以文本形式输出、存储到一个 “.onnx” 文件里。这里用 onnx.checker.check_model 来检查模型是否满足 ONNX 标准是必要的,因为无论模型是否满足标准,ONNX 都允许我们用 onnx.save 存储模型。我们肯定不希望生成一个不满足标准的模型。

onnx.checker.check_model(model) 
print(model) 
onnx.save(model, 'linear_func.onnx') 

成功执行这些代码的话,程序会以文本格式输出模型的信息,其内容应该和我们在上一节展示的输出一样。
整理一下,用 ONNX Python API 构造模型的代码如下:

import onnx 
from onnx import helper 
from onnx import TensorProto 
 
# input and output 
a = helper.make_tensor_value_info('a', TensorProto.FLOAT, [10, 10]) 
x = helper.make_tensor_value_info('x', TensorProto.FLOAT, [10, 10]) 
b = helper.make_tensor_value_info('b', TensorProto.FLOAT, [10, 10]) 
output = helper.make_tensor_value_info('output', TensorProto.FLOAT, [10, 10]) 
 
# Mul 
mul = helper.make_node('Mul', ['a', 'x'], ['c']) 
 
# Add 
add = helper.make_node('Add', ['c', 'b'], ['output']) 
 
# graph and model 
graph = helper.make_graph([mul, add], 'linear_func', [a, x, b], [output]) 
model = helper.make_model(graph) 
 
# save model 
onnx.checker.check_model(model) 
print(model) 
onnx.save(model, 'linear_func.onnx') 

老规矩,我们可以用 ONNX Runtime 运行模型,来看看模型是否正确:

import onnxruntime 
import numpy as np 
 
sess = onnxruntime.InferenceSession('linear_func.onnx') 
a = np.random.rand(10, 10).astype(np.float32) 
b = np.random.rand(10, 10).astype(np.float32) 
x = np.random.rand(10, 10).astype(np.float32) 
 
output = sess.run(['output'], {'a': a, 'b': b, 'x': x})[0] 
 
assert np.allclose(output, a * x + b) 

一切顺利的话,这段代码不会有任何报错信息。这说明我们的模型等价于执行 a * x + b 这个计算。


读取并修改 ONNX 模型

通过用 API 构造 ONNX 模型,我们已经彻底搞懂了 ONNX 由哪些模块组成。现在,让我们看看该如何读取现有的”.onnx”文件并从中提取模型信息。
首先,我们可以用下面的代码读取一个 ONNX 模型:

import onnx 
model = onnx.load('linear_func.onnx') 
print(model) 

之前在输出模型时,我们传给 onnx.save 的是一个 ModelProto 的对象。同理,用上面的 onnx.load 读取 ONNX 模型时,我们收获的也是一个 ModelProto 的对象。输出这个对象后,我们应该得到和之前完全相同的输出。
接下来,我们来看看怎么把图 GraphProto、节点 NodeProto、张量信息 ValueInfoProto 读取出来:

graph = model.graph 
node = graph.node 
input = graph.input 
output = graph.output 
print(node) 
print(input) 
print(output) 

使用如上这些代码,我们可以分别访问模型的图、节点、张量信息。这里大家或许会有疑问:该怎样找出 graph.node,graph.input 中 node, input 这些属性名称呢?其实,属性的名称就写在每个对象的输出里。我们以 print(node) 的输出为例:

[input: "a" 
input: "x" 
output: "c" 
op_type: "Mul" 
, input: "c" 
input: "b" 
output: "output" 
op_type: "Add" 
] 

在这段输出中,我们能看出 node 其实就是一个列表,列表中的对象有属性 input, output, op_type(这里 input 也是一个列表,它包含的两个元素都显示出来了)。我们可以用下面的代码来获取 node 里第一个节点 Mul 的属性:

node_0 = node[0] 
node_0_inputs = node_0.input 
node_0_outputs = node_0.output 
input_0 = node_0_inputs[0] 
input_1 = node_0_inputs[1] 
output = node_0_outputs[0] 
op_type = node_0.op_type 
 
print(input_0) 
print(input_1) 
print(output) 
print(op_type) 
 
# Output 
""" 
a 
x 
c 
Mul 
""" 

当我们想知道 ONNX 模型某数据对象有哪些属性时,我们不必去翻 ONNX 文档,只需要先把数据对象输出一下,然后在输出结果找出属性名即可。
读取 ONNX 模型的信息后,修改 ONNX 模型就是一件很轻松的事了。我们既可以按照上一小节的模型构造方法,新建节点和张量信息,与原有模型组合成一个新的模型,也可以在不违反 ONNX 规范的前提下直接修改某个数据对象的属性。
这里我们来看一个直接修改模型属性的例子:

import onnx 
model = onnx.load('linear_func.onnx') 
 
node = model.graph.node 
node[1].op_type = 'Sub' 
 
onnx.checker.check_model(model) 
onnx.save(model, 'linear_func_2.onnx') 

在读入之前的 linear_func.onnx 模型后,我们可以直接修改第二个节点的类型 node[1].op_type,把加法变成减法。这样,我们的模型描述的是 a * x - b 这个线性函数。大家感兴趣的话,可以用 ONNX Runtime 运行新模型 linear_func_2.onnx,来验证一下它和 a * x - b 是否等价。

调试 ONNX 模型

在实际部署中,如果用深度学习框架导出的 ONNX 模型出了问题,一般要通过修改框架的代码来解决,而不会从 ONNX 入手,我们把 ONNX 模型当成一个不可修改的黑盒看待。
现在,我们已经深入学习了 ONNX 的原理,可以尝试对 ONNX 模型本身进行调试了。在这一节里,让我们看看该如何巧妙利用 ONNX 提供的子模型提取功能,对 ONNX 模型进行调试。

子模型提取

ONNX 官方为开发者提供了子模型提取(extract)的功能。子模型提取,顾名思义,就是从一个给定的 ONNX 模型中,拿出一个子模型。这个子模型的节点集、边集都是原模型中对应集合的子集。让我们来用 PyTorch 导出一个复杂一点的 ONNX 模型,并在它的基础上执行提取操作:

import torch 
 
class Model(torch.nn.Module): 
 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
        self.convs1 = torch.nn.Sequential(torch.nn.Conv2d(3, 3, 3), 
                                          torch.nn.Conv2d(3, 3, 3), 
                                          torch.nn.Conv2d(3, 3, 3)) 
        self.convs2 = torch.nn.Sequential(torch.nn.Conv2d(3, 3, 3), 
                                          torch.nn.Conv2d(3, 3, 3)) 
        self.convs3 = torch.nn.Sequential(torch.nn.Conv2d(3, 3, 3), 
                                          torch.nn.Conv2d(3, 3, 3)) 
        self.convs4 = torch.nn.Sequential(torch.nn.Conv2d(3, 3, 3), 
                                          torch.nn.Conv2d(3, 3, 3), 
                                          torch.nn.Conv2d(3, 3, 3)) 
    def forward(self, x): 
        x = self.convs1(x) 
        x1 = self.convs2(x) 
        x2 = self.convs3(x) 
        x = x1 + x2 
        x = self.convs4(x) 
        return x 
 
model = Model() 
input = torch.randn(1, 3, 20, 20) 
 
torch.onnx.export(model, input, 'whole_model.onnx') 


这个模型的可视化结果如下图所示(提取子模型需要输入边的序号,为了大家方面阅读,这幅图标出了之后要用到的边的序号):

在前面的章节中,我们学过,ONNX 的边用同名张量表示的。也就是说,这里的边序号,实际上是前一个节点的输出张量序号和后一个节点的输入张量序号。由于这个模型是用 PyTorch 导出的,这些张量序号都是 PyTorch 自动生成的。


接着,我们可以下面的代码提取出一个子模型:

import onnx  
 
onnx.utils.extract_model('whole_model.onnx', 'partial_model.onnx', ['22'], ['28']) 

子模型的可视化结果如下图所示:

通过观察代码和输出图,应该不难猜出这段代码的作用是把原计算图从边 22 到边 28 的子图提取出来,并组成一个子模型。onnx.utils.extract_model 就是完成子模型提取的函数,它的参数分别是原模型路径、输出模型路径、子模型的输入边(输入张量)、子模型的输出边(输出张量)。
直观地来看,子模型提取就是把输入边到输出边之间的全部节点都取出来。那么,这个功能在使用上有什么限制呢?基于 whole_model.onnx, 我们来看一看三个子模型提取的示例。

添加额外输出

我们在提取时新设定了一个输出张量,如下面的代码所示:

onnx.utils.extract_model('whole_model.onnx', 'submodel_1.onnx', ['22'], ['27', '31']) 

我们可以看到子模型会添加一条把张量输出的新边,如下图所示:

添加冗余输入

如果我们还是像开始一样提取边 22 到边 28 之间的子模型,但是多添加了一个输入 input.1,那么提取出的子模型会有一个冗余的输入 input.1,如下面的代码所示:

onnx.utils.extract_model('whole_model.onnx', 'submodel_2.onnx', ['22', 'input.1'], ['28']) 

从下图可以看到:无论给这个输入传入什么值,都不会影响子模型的输出。可以认为如果只用子模型的部分输入就能得到输出,那么那些”较早“的多出来的输入就是冗余的。

输入信息不足

这次,我们尝试提取的子模型输入是边 24,输出是边 28。如下面的代码和图所示:

# Error 
onnx.utils.extract_model('whole_model.onnx', 'submodel_3.onnx', ['24'], ['28']) 

从图中可以看出,想通过边 24 计算边 28 的结果,至少还需要输入边 26,或者更上面的边。仅凭借边 24 是无法计算出边 28 的结果的,因此这样提取子模型会报错。

通过上面几个使用示例,我们可以整理出子模型提取的实现原理:新建一个模型,把给定的输入和输出填入。之后把图的所有有向边反向,从输出边开始遍历节点,碰到输入边则停止,把这样遍历得到的节点做为子模型的节点。
如果还没有彻底弄懂这个提取原理,没关系,我们只要尽量保证在填写子模型的输入输出时,让输出恰好可以由输入决定即可。

输出 ONNX 中间节点的值

在使用 ONNX 模型时,最常见的一个需求是能够用推理引擎输出中间节点的值。这多见于深度学习框架模型和 ONNX 模型的精度对齐中,因为只要能够输出中间节点的值,就能定位到精度出现偏差的算子。我们来看看如何用子模型提取实现这一任务。
在刚刚的第一个子模型提取示例中,我们添加了一条原来模型中不存在的输出边。用同样的原理,我们可以在保持原有输入输出不变的同时,新增加一些输出,提取出一个能输出中间节点的”子模型“。例如:

 onnx.utils.extract_model('whole_model.onnx', 'more_output_model.onnx', ['input.1'], ['31', '23', '25', '27'])

在这个子模型中,我们在保持原有的输入 input.1,输出 31 的同时,把其他几个边加入了输出中。如下图所示:

这样,用 ONNX Runtime 运行 more_output_model.onnx 这个模型时,我们就能得到更多的输出了。
为了方便调试,我们还可以把原模型拆分成多个互不相交的子模型。这样,在每次调试时,可以只对原模型的部分子模块调试。比如:

onnx.utils.extract_model('whole_model.onnx', 'debug_model_1.onnx', ['input.1'], ['23']) 
onnx.utils.extract_model('whole_model.onnx', 'debug_model_2.onnx', ['23'], ['25']) 
onnx.utils.extract_model('whole_model.onnx', 'debug_model_3.onnx', ['23'], ['27']) 
onnx.utils.extract_model('whole_model.onnx', 'debug_model_4.onnx', ['25', '27'], ['31']) 

在这个例子中,我们把原来较为复杂的模型拆成了四个较为简单的子模型,如下图所示。在调试时,我们可以先调试顶层的子模型,确认顶层子模型无误后,把它的输出做为后面子模型的输入。
比如对于这些子模型,我们可以先调试第一个子模型,并存储输出 23。之后把张量 23 做为第二个和第三个子模型的输入,调试这两个模型。最后用同样方法调试第四个子模型。可以说,有了子模型提取功能,哪怕是面对一个庞大的模型,我们也能够从中提取出有问题的子模块,细致地只对这个子模块调试。

子模型提取固然是一个便利的 ONNX 调试工具。但是,在实际的情况中,我们一般是用 PyTorch 等框架导出 ONNX 模型。这里有两个问题:

  1. 一旦 PyTorch 模型改变,ONNX 模型的边序号也会改变。这样每次提取同样的子模块时都要重新去 ONNX 模型里查序号,如此繁琐的调试方法是不会在实践中采用的。
  2. 即使我们能保证 ONNX 的边序号不发生改变,我们也难以把 PyTorch 代码和 ONNX 节点对应起来——当模型结构变得十分复杂时,要识别 ONNX 中每个节点的含义是不可能的。

PyTorch 中支持更多 ONNX 算子

学习了 PyTorch 转 ONNX 的方法,可以发现 PyTorch 对 ONNX 的支持还不错。但在实际的部署过程中,难免碰到模型无法用原生 PyTorch 算子表示的情况。这个时候,我们就得考虑扩充 PyTorch,即在 PyTorch 中支持更多 ONNX 算子。

而要使 PyTorch 算子顺利转换到 ONNX ,我们需要保证以下三个环节都不出错:

  • 算子在 PyTorch 中有实现
  • 有把该 PyTorch 算子映射成一个或多个 ONNX 算子的方法
  • ONNX 有相应的算子

可在实际部署中,这三部分的内容都可能有所缺失。其中最坏的情况是:我们定义了一个全新的算子,它不仅缺少 PyTorch 实现,还缺少 PyTorch 到 ONNX 的映射关系。但所谓车到山前必有路,对于这三个环节,我们也分别都有以下的添加支持的方法:

  • PyTorch 算子
    • 组合现有算子
    • 添加 TorchScript 算子
    • 添加普通 C++ 拓展算子
  • 映射方法
    • 为 ATen 算子添加符号函数
    • 为 TorchScript 算子添加符号函数
    • 封装成 torch.autograd.Function 并添加符号函数
  • ONNX 算子
    • 使用现有 ONNX 算子
    • 定义新 ONNX 算子

那么面对不同的情况时,就需要我们灵活地选用和组合这些方法。听起来是不是很复杂?别担心,本篇文章中,我们将围绕着三种算子映射方法,学习三个添加算子支持的实例,来理清如何合适地为 PyTorch 算子转 ONNX 算子的三个环节添加支持。

 支持 ATen 算子

实际的部署过程中,我们都有可能会碰到一个最简单的算子缺失问题: 算子在 ATen 中已经实现了,ONNX 中也有相关算子的定义,但是相关算子映射成 ONNX 的规则没有写。在这种情况下,我们只需要为 ATen 算子补充描述映射规则的符号函数就行了。

ATen 是 PyTorch 内置的 C++ 张量计算库,PyTorch 算子在底层绝大多数计算都是用 ATen 实现的。

上期习题中,我们曾经提到了 ONNX 的 Asinh 算子。这个算子在 ATen 中有实现,却缺少了映射到 ONNX 算子的符号函数。在这里,我们来尝试为它补充符号函数,并导出一个包含这个算子的 ONNX 模型。

获取 ATen 中算子接口定义

为了编写符号函数,我们需要获得 asinh 推理接口的输入参数定义。这时,我们要去 torch/_C/_VariableFunctions.pyi 和 torch/nn/functional.pyi 这两个文件中搜索我们刚刚得到的这个算子名。这两个文件是编译 PyTorch 时本地自动生成的文件,里面包含了 ATen 算子的 PyTorch 调用接口。通过搜索,我们可以知道 asinh 在文件 torch/_C/_VariableFunctions.pyi 中,其接口定义为:

def asinh(input: Tensor, *, out: Optional[Tensor]=None) -> Tensor: ... 

经过这些步骤,我们确认了缺失的算子名为 asinh,它是一个有实现的 ATen 算子。我们还记下了 asinh 的调用接口。接下来,我们要为它补充符号函数,使它在转换成 ONNX 模型时不再报错。

添加符号函数

到目前为止,我们已经多次接触了定义 PyTorch 到 ONNX 映射规则的符号函数了。现在,我们向大家正式介绍一下符号函数。

符号函数,可以看成是 PyTorch 算子类的一个静态方法。在把 PyTorch 模型转换成 ONNX 模型时,各个 PyTorch 算子的符号函数会被依次调用,以完成 PyTorch 算子到 ONNX 算子的转换。符号函数的定义一般如下:

def symbolic(g: torch._C.Graph, input_0: torch._C.Value, input_1: torch._C.Value, ...): 

其中,torch._C.Graph 和 torch._C.Value 都对应 PyTorch 的 C++ 实现里的一些类。我们在这篇文章不深究它们的细节(感兴趣的话可以参考我们的 TorchScript 系列文章中对 trace 机制的解读),只需要知道第一个参数就固定叫 g,它表示和计算图相关的内容;后面的每个参数都表示算子的输入,需要和算子的前向推理接口的输入相同。对于 ATen 算子来说,它们的前向推理接口就是上述两个 .pyi 文件里的函数接口。

g 有一个方法 op。在把 PyTorch 算子转换成 ONNX 算子时,需要在符号函数中调用此方法来为最终的计算图添加一个 ONNX 算子。其定义如下:

def op(name: str, input_0: torch._C.Value, input_1: torch._C.Value, ...) 

其中,第一个参数是算子名称。如果该算子是普通的 ONNX 算子,只需要把它在 ONNX 官方文档里的名称填进去即可(我们稍后再讲其他情况)。

在最简单的情况下,我们只要把 PyTorch 算子的输入用g.op()一一对应到 ONNX 算子上即可,并把g.op()的返回值作为符号函数的返回值。在情况更复杂时,我们转换一个 PyTorch 算子可能要新建若干个 ONNX 算子。

补充完了背景知识,让我们回到 asinh 算子上,来为它编写符号函数。我们先去翻阅一下 ONNX 算子文档,学习一下我们在符号函数里的映射关系 g.op() 里应该怎么写。Asinh 的文档写道:该算子有一个输入 input,一个输出 output,二者的类型都为张量。

到这里,我们已经完成了信息收集环节。我们在上一小节得知了 asinh 的推理接口定义,在这一小节里收集了 ONNX 算子 Asinh 的定义。现在,我们可以用代码来补充这二者的映射关系了。在刚刚导出 asinh 算子的代码中,我们添加以下内容:

from torch.onnx.symbolic_registry import register_op 
 
def asinh_symbolic(g, input, *, out=None): 
    return g.op("Asinh", input) 
 
register_op('asinh', asinh_symbolic, '', 9)  

这里的asinh_symbolic就是asinh的符号函数。从除g以外的第二个输入参数开始,其输入参数应该严格对应它在 ATen 中的定义:

def asinh(input: Tensor, *, out: Optional[Tensor]=None) -> Tensor: ... 

在符号函数的函数体中,g.op("Asinh", input)则完成了 ONNX 算子的定义。其中,第一个参数"Asinh"是算子在 ONNX 中的名称。至于第二个参数 input,如我们刚刚在文档里所见,这个算子只有一个输入,因此我们只要把符号函数的输入参数 input 对应过去就行。ONNX 的 Asinh 的输出和 ATen 的 asinh 的输出是一致的,因此我们直接把 g.op() 的结果返回即可。

定义完符号函数后,我们要把这个符号函数和原来的 ATen 算子“绑定”起来。这里,我们要用到 register_op 这个 PyTorch API 来完成绑定。如示例所示,只需要一行简单的代码即可把符号函数 asinh_symbolic 绑定到算子 asinh 上:

register_op('asinh', asinh_symbolic, '', 9) 

register_op的第一个参数是目标 ATen 算子名,第二个是要注册的符号函数,这两个参数很好理解。第三个参数是算子的“域”,对于普通 ONNX 算子,直接填空字符串即可。第四个参数表示向哪个算子集版本注册。我们遵照 ONNX 标准,向第 9 号算子集注册。值得注意的是,这里向第 9 号算子集注册,不代表较新的算子集(第 10 号、第 11 号……)都得到了注册。在示例中,我们先只向第 9 号算子集注册。

整理一下,我们最终的代码如下:

import torch 
 
class Model(torch.nn.Module): 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
 
    def forward(self, x): 
        return torch.asinh(x) 
 
from torch.onnx.symbolic_registry import register_op 
 
def asinh_symbolic(g, input, *, out=None): 
    return g.op("Asinh", input) 
 
register_op('asinh', asinh_symbolic, '', 9) 
 
model = Model() 
input = torch.rand(1, 3, 10, 10) 
torch.onnx.export(model, input, 'asinh.onnx') 
 

成功导出的话,asinh.onnx 应该长这个样子:

测试算子

在完成了一份自定义算子后,我们一定要测试一下算子的正确性。一般我们要用 PyTorch 运行一遍原算子,再用推理引擎(比如 ONNX Runtime)运行一下 ONNX 算子,最后比对两次的运行结果。对于我们刚刚得到的 asinh.onnx,可以用如下代码来验证:

import onnxruntime 
import torch 
import numpy as np 
 
class Model(torch.nn.Module): 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
 
    def forward(self, x): 
        return torch.asinh(x) 
 
model = Model() 
input = torch.rand(1, 3, 10, 10) 
torch_output = model(input).detach().numpy() 
 
sess = onnxruntime.InferenceSession('asinh.onnx') 
ort_output = sess.run(None, {'0': input.numpy()})[0] 
 
assert np.allclose(torch_output, ort_output) 

在这份代码里,我们用 PyTorch 做了一遍推理,并把结果转成了 numpy 格式。之后,我们又用 ONNX Runtime 对 onnx 文件做了一次推理。

忘了 ONNX Runtime 的调用方法的话,欢迎回顾第一篇教程~

最后,我们使用 np.allclose 来保证两个结果张量的误差在一个可以允许的范围内。一切正常的话,运行这段代码后,assert 所在行不会报错,程序应该没有任何输出。

支持 TorchScript 算子

对于一些比较复杂的运算,仅使用 PyTorch 原生算子是无法实现的。这个时候,就要考虑自定义一个 PyTorch 算子,再把它转换到 ONNX 中了。新增 PyTorch 算子的方法有很多,PyTorch 官方比较推荐的一种做法是添加 TorchScript 算子 。

由于添加算子的方法较繁琐,我们今天跳过新增 TorchScript 算子的内容,以可变形卷积(Deformable Convolution)算子为例,介绍为现有 TorchScript 算子添加 ONNX 支持的方法。

可变形卷积(Deformable Convolution)是在 Torchvision 中实现的 TorchScript 算子,虽然尚未得到广泛支持,但是出现在许多模型中。

有了支持 ATen 算子的经验之后,我们可以知道为算子添加符号函数一般要经过以下几步:

  1. 获取原算子的前向推理接口。
  2. 获取目标 ONNX 算子的定义。
  3. 编写符号函数并绑定。

在为可变形卷积添加符号函数时,我们也可以尝试走一遍这个流程。

使用 TorchScript 算子

和之前一样,我们首先定义一个包含了算子的模型,为之后转换 ONNX 模型做准备。

import torch 
import torchvision 
 
class Model(torch.nn.Module): 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
        self.conv1 = torch.nn.Conv2d(3, 18, 3) 
        self.conv2 = torchvision.ops.DeformConv2d(3, 3, 3) 
 
    def forward(self, x): 
        return self.conv2(x, self.conv1(x)) 

其中,torchvision.ops.DeformConv2d 就是 Torchvision 中的可变形卷积层。相比于普通卷积,可变形卷积的其他参数都大致相同,唯一的区别就是在推理时需要多输入一个表示偏移量的张量。

然后,我们查询算子的前向推理接口。DeformConv2d 层最终会调用 deform_conv2d 这个算子。我们可以在 torchvision/csrc/ops/deform_conv2d.cpp 中查到该算子的调用接口:

m.def(TORCH_SELECTIVE_SCHEMA( 
      "torchvision::deform_conv2d(Tensor input,  
      Tensor weight,  
      Tensor offset,  
      ...... 
      bool use_mask) -> Tensor")); 

那么接下来,根据之前的经验,我们就是要去 ONNX 官方文档中查找算子的定义了。

自定义 ONNX 算子

很遗憾的是,如果我们去 ONNX 的官方算子页面搜索 “deform”,将搜不出任何内容。目前,ONNX 还没有提供可变形卷积的算子,我们要自己定义一个 ONNX 算子了。

我们在前面讲过,g.op() 是用来定义 ONNX 算子的函数。对于 ONNX 官方定义的算子,g.op() 的第一个参数就是该算子的名称。而对于一个自定义算子,g.op() 的第一个参数是一个带命名空间的算子名,比如:

g.op("custom::deform_conv2d, ...) 

其中,”::”前面的内容就是我们的命名空间。该概念和 C++ 的命名空间类似,是为了防止命名冲突而设定的。如果在 g.op() 里不加前面的命名空间,则算子会被默认成 ONNX 的官方算子。

PyTorch 在运行 g.op() 时会对官方的算子做检查,如果算子名有误,或者算子的输入类型不正确, g.op() 就会报错。为了让我们随心所欲地定义新 ONNX 算子,我们必须设定一个命名空间,给算子取个名,再定义自己的算子。

我们在第一篇教程讲过:ONNX 是一套标准,本身不包括实现。在这里,我们就简略地定义一个 ONNX 可变形卷积算子,而不去写它在某个推理引擎上的实现。在后续的文章中,我们再介绍在各个推理引擎中添加新 ONNX 算子支持的方法。此处,我们只关心如何导出一个包含新 ONNX 算子节点的 onnx 文件。因此,我们可以为新算子编写如下简单的符号函数:

@parse_args("v", "v", "v", "v", "v", "i", "i", "i", "i", "i", "i", "i", "i", "none") 
def symbolic(g,  
        input, 
        weight, 
        offset, 
        mask, 
        bias, 
        stride_h, stride_w, 
        pad_h, pad_w, 
        dil_h, dil_w, 
        n_weight_grps, 
        n_offset_grps, 
        use_mask): 
    return g.op("custom::deform_conv2d", input, offset) 
 

在这个符号函数中,我们以刚刚搜索到的算子输入参数作为符号函数的输入参数,并只用 input 和 offset 来构造一个简单的 ONNX 算子。

这段代码中,最令人疑惑的就是装饰器 @parse_args 了。简单来说,TorchScript 算子的符号函数要求标注出每一个输入参数的类型。比如”v”表示 Torch 库里的 value 类型,一般用于标注张量,而”i”表示 int 类型,”f”表示 float 类型,”none”表示该参数为空。具体的类型含义可以在 torch.onnx.symbolic_helper.py (https://github.com/pytorch/pytorch/blob/master/torch/onnx/symbolic_helper.py)中查看。这里输入参数中的 input, weight, offset, mask, bias 都是张量,所以用”v”表示。后面的其他参数同理。我们不必纠结于 @parse_args 的原理,根据实际情况对符号函数的参数标注类型即可。

有了符号函数后,我们通过如下的方式注册符号函数:

register_custom_op_symbolic("torchvision::deform_conv2d", symbolic, 9) 

和前面的 register_op 类似,注册符号函数时,我们要输入算子名、符号函数、算子集版本。与前面不同的是,这里的算子集版本是最早生效版本,在这里设定版本 9,意味着之后的第 10 号、第 11 号……版本集都能使用这个新算子。

最后,我们完整的模型导出代码如下:

import torch 
import torchvision 
 
class Model(torch.nn.Module): 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
        self.conv1 = torch.nn.Conv2d(3, 18, 3) 
        self.conv2 = torchvision.ops.DeformConv2d(3, 3, 3) 
 
    def forward(self, x): 
        return self.conv2(x, self.conv1(x)) 
 
from torch.onnx import register_custom_op_symbolic 
from torch.onnx.symbolic_helper import parse_args 
 
@parse_args("v", "v", "v", "v", "v", "i", "i", "i", "i", "i", "i", "i", "i", "none") 
def symbolic(g,  
        input, 
        weight, 
        offset, 
        mask, 
        bias, 
        stride_h, stride_w, 
        pad_h, pad_w, 
        dil_h, dil_w, 
        n_weight_grps, 
        n_offset_grps, 
        use_mask): 
    return g.op("custom::deform_conv2d", input, offset) 
 
register_custom_op_symbolic("torchvision::deform_conv2d", symbolic, 9) 
 
model = Model() 
input = torch.rand(1, 3, 10, 10) 
torch.onnx.export(model, input, 'dcn.onnx') 
 

代码成功运行的话,我们应该能得到如下的 ONNX 模型:

可以看到,我们自定义的 ONNX 算子 deform_conv2d 包含了两个输入,一个输出,和我们预想得一样。

使用 torch.autograd.Function

最后,我们来学习一种简单的为 PyTorch 添加 C++ 算子实现的方法,来代替较为复杂的新增 TorchScript 算子。同时,我们会用 torch.autograd.Function 封装这个新算子。torch.autograd.Function 能完成算子实现和算子调用的隔离。不管算子是怎么实现的,它封装后的使用体验以及 ONNX 导出方法会和原生的 PyTorch 算子一样。这是我们比较推荐的为算子添加 ONNX 支持的方法。

为了应对更复杂的情况,我们来自定义一个奇怪的 my_add 算子。这个算子的输入张量 a, b ,输出 2a + b 的值。我们会先把它在 PyTorch 中实现,再把它导出到 ONNX 中。

为 PyTorch 添加 C++ 拓展

为 PyTorch 添加简单的 C++ 拓展还是很方便的。对于我们定义的 my_add 算子,可以用以下的 C++ 源文件来实现。我们把该文件命名为 “my_add.cpp”:

// my_add.cpp 
 
#include <torch/torch.h> 
 
torch::Tensor my_add(torch::Tensor a, torch::Tensor b) 
{ 
    return 2 * a + b; 
} 
 
PYBIND11_MODULE(my_lib, m) 
{ 
    m.def("my_add", my_add); 
} 

由于在 PyTorch 中添加 C++ 拓展和模型部署关系不大,这里我们仅给出这个简单的示例,并不对其原理做过多讲解。

在这段代码中,torch::Tensor 就是 C++ 中 torch 的张量类型,它的加法和乘法等运算符均已重载。因此,我们可以像对普通标量一样对张量做加法和乘法。

轻松地完成了算子的实现后,我们用 PYBIND11_MODULE 来为 C++ 函数提供 Python 调用接口。这里的 my_lib 是我们未来要在 Python 里导入的模块名。双引号中的 my_add 是 Python 调用接口的名称,这里我们对齐 C++ 函数的名称,依然用 “my_add”这个名字。

之后,我们可以编写如下的 Python 代码并命名为 “setup.py”,来编译刚刚的 C++ 文件:

from setuptools import setup 
from torch.utils import cpp_extension 
 
setup(name='my_add', 
      ext_modules=[cpp_extension.CppExtension('my_lib', ['my_add.cpp'])], 
      cmdclass={'build_ext': cpp_extension.BuildExtension}) 

这段代码使用了 Python 的 setuptools 编译功能和 PyTorch 的 C++ 拓展工具函数,可以编译包含了 torch 库的 C++ 源文件。这里我们需要填写的只有模块名和模块中的源文件名。我们刚刚把模块命名为 my_lib,而源文件只有一个 my_add.cpp,因此拓展模块那一行要写成 ext_modules=[cpp_extension.CppExtension('my_lib', ['my_add.cpp'])],

之后,像处理普通的 Python 包一样执行安装命令,我们的 C++ 代码就会自动编译了。

python setup.py develop 

用 torch.autograd.Function 封装

直接用 Python 接口调用 C++ 函数不太“美观”,一种比较优雅的做法是把这个调用接口封装起来。这里我们用 torch.autograd.Function 来封装算子的底层调用:

import torch 
import my_lib 
class MyAddFunction(torch.autograd.Function): 
 
    @staticmethod 
    def forward(ctx, a, b): 
        return my_lib.my_add(a, b) 
 
    @staticmethod 
    def symbolic(g, a, b): 
        two = g.op("Constant", value_t=torch.tensor([2])) 
        a = g.op('Mul', a, two) 
        return g.op('Add', a, b) 

我们在前面的教程中已经见过 torch.autograd.Function,这里我们正式地对其做一个介绍。Function 类本身表示 PyTorch 的一个可导函数,只要为其定义了前向推理和反向传播的实现,我们就可以把它当成一个普通 PyTorch 函数来使用。

PyTorch 会自动调度该函数,合适地执行前向和反向计算。对模型部署来说,Function 类有一个很好的性质:如果它定义了 symbolic 静态方法,该 Function 在执行 torch.onnx.export() 时就可以根据 symbolic 中定义的规则转换成 ONNX 算子。这个 symbolic 就是前面提到的符号函数,只是它的名称必须是 symbolic 而已。

在 forward 函数中,我们用 my_lib.my_add(a, b) 就可以调用之前写的C++函数了。这里 my_lib 是库名,my_add 是函数名,这两个名字是在前面C++的 PYBIND11_MODULE 中定义的。

在 symbolic 函数中,我们用 g.op() 定义了三个算子:常量、乘法、加法。这里乘法和加法的用法和前面提到的 asinh 一样,只需要根据 ONNX 算子定义规则把输入参数填入即可。而在定义常量算子时,我们要把 PyTorch 张量的值传入 value_t 参数中。

在 ONNX 中,我们需要把新建常量当成一个算子来看待,尽管这个算子并不会以节点的形式出现在 ONNX 模型的可视化结果里。

把算子封装成 Function 后,我们可以把 my_add算子用起来了。

my_add = MyAddFunction.apply 
 
class MyAdd(torch.nn.Module): 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
 
    def forward(self, a, b): 
        return my_add(a, b) 

在这份代码里,我们先用 my_add = MyAddFunction.apply 获取了一个奇怪的变量。这个变量是用来做什么的呢?其实,applytorch.autograd.Function 的一个方法,这个方法完成了 Function 在前向推理或者反向传播时的调度。我们在使用 Function 的派生类做推理时,不应该显式地调用 forward(),而应该调用其 apply 方法。

这里我们使用 my_add = MyAddFunction.apply 把这个调用方法取了一个更简短的别名 my_add。以后在使用 my_add 算子时,我们应该忽略 MyAddFunction 的实现细节,而只通过 my_add 这个接口来访问算子。这里 my_add 的地位,和 PyTorch 的 asinhinterpolateconv2d等原生函数是类似的。

有了访问新算子的接口后,我们可以进一步把算子封装成一个神经网络中的计算层。我们定义一个叫做的 MyAdd 的 torch.nn.Module,它封装了my_add,就和封装了conv2d 的 torch.nn.Conv2d 一样。

测试算子

费了好大的功夫来“包装”我们的新算子后,我们终于可以来使用它了。和之前的测试流程一样,让我们用下面的代码来导出一个包含新算子的 ONNX 模型,并验证一下它是否正确。

model = MyAdd() 
input = torch.rand(1, 3, 10, 10) 
torch.onnx.export(model, (input, input), 'my_add.onnx') 
torch_output = model(input, input).detach().numpy() 
 
import onnxruntime 
import numpy as np 
sess = onnxruntime.InferenceSession('my_add.onnx') 
ort_output = sess.run(None, {'a': input.numpy(), 'b': input.numpy()})[0] 
 
assert np.allclose(torch_output, ort_output) 

在这份代码中,我们直接把 MyAdd 作为要导出的模型。我们计算了一个 PyTorch 模型的运行结果,又导出 ONNX 模型,计算了 ONNX 模型在 ONNX Runtime 上的运算结果。如果一切正常的话,这两个结果是一样的,这份代码不会报任何错误,没有任何输出。

可视化一下 my_add.onnx,可以看出,和我们设计得一样,my_add 算子被翻译成了两个 ONNX 算子节点(其中常量算子被放入了 Mul 的参数中)。

整理一下,整个流程的 Python 代码如下:

import torch 
import my_lib 
class MyAddFunction(torch.autograd.Function): 
 
    @staticmethod 
    def forward(ctx, a, b): 
        return my_lib.my_add(a, b) 
 
    @staticmethod 
    def symbolic(g, a, b): 
        two = g.op("Constant", value_t=torch.tensor([2])) 
        a = g.op('Mul', a, two) 
        return g.op('Add', a, b) 
 
my_add = MyAddFunction.apply 
 
class MyAdd(torch.nn.Module): 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
 
    def forward(self, a, b): 
        return my_add(a, b) 
 
model = MyAdd() 
input = torch.rand(1, 3, 10, 10) 
torch.onnx.export(model, (input, input), 'my_add.onnx') 
torch_output = model(input, input).detach().numpy() 
 
import onnxruntime 
import numpy as np 
sess = onnxruntime.InferenceSession('my_add.onnx') 
ort_output = sess.run(None, {'a': input.numpy(), 'b': input.numpy()})[0] 
 
assert np.allclose(torch_output, ort_output) 

总结

在这篇教程中,我们围绕“为 ATen 算子添加符号函数”、“为 TorchScript 算子添加符号函数”、“封装成 torch.autograd.Function 并添加符号函数”这三种添加映射关系的方法,讲解了 3 个为 PyTorch 和 ONNX 添加支持的实例。在这个过程中,我们学到了很多零散的知识,来总结一下吧。

  • ATen 是 PyTorch 的 C++ 张量运算库。通过查询 torch/_C/_VariableFunctions.pyi 和 torch/nn/functional.pyi,我们可以知道 ATen 算子的 Python 接口定义。
  • 用 register_op 可以为 ATen 算子补充注册符号函数
  • 用 register_custom_op_symbolic 可以为 TorchScript 算子补充注册符号函数
  • 如何在 PyTorch 里添加 C++ 拓展
  • 如何用 torch.autograd.Function 封装一个自定义 PyTorch 算子
  • 如何编写符号函数 symbolic(g, ...)
  • 如何用 g.op() 把一个 PyTorch 算子映射成一个或多个 ONNX 算子,或者是自定义的 ONNX 算子。

PyTorch 转 ONNX 详解

转自:模型部署入门教程(三):PyTorch 转 ONNX 详解

模型转换工具 https://convertmodel.com/

ONNX 是目前模型部署中最重要的中间表示之一。学懂了 ONNX 的技术细节,就能规避大量的模型部署问题。
在把 PyTorch 模型转换成 ONNX 模型时,我们往往只需要轻松地调用一句torch.onnx.export就行了。这个函数的接口看上去简单,但它在使用上还有着诸多的“潜规则”。在这篇教程中,我们会详细介绍 PyTorch 模型转 ONNX 模型的原理及注意事项。除此之外,我们还会介绍 PyTorch 与 ONNX 的算子对应关系,以教会大家如何处理 PyTorch 模型转换时可能会遇到的算子支持问题。

torch.onnx.export 细解


在这一节里,我们将详细介绍 PyTorch 到 ONNX 的转换函数—— torch.onnx.export。我们希望大家能够更加灵活地使用这个模型转换接口,并通过了解它的实现原理来更好地应对该函数的报错(由于模型部署的兼容性问题,部署复杂模型时该函数时常会报错)。


计算图导出方法

TorchScript 是一种序列化和优化 PyTorch 模型的格式,在优化过程中,一个torch.nn.Module模型会被转换成 TorchScript 的 torch.jit.ScriptModule模型。现在, TorchScript 也被常当成一种中间表示使用。我们在其他文章中对 TorchScript 有详细的介绍(https://zhuanlan.zhihu.com/p/486914187),这里介绍 TorchScript 仅用于说明 PyTorch 模型转 ONNX的原理。
torch.onnx.export中需要的模型实际上是一个torch.jit.ScriptModule。而要把普通 PyTorch 模型转一个这样的 TorchScript 模型,有跟踪(trace)和记录(script)两种导出计算图的方法。如果给torch.onnx.export传入了一个普通 PyTorch 模型(torch.nn.Module),那么这个模型会默认使用跟踪的方法导出。这一过程如下图所示:

回忆一下我们第一篇教程知识:跟踪法只能通过实际运行一遍模型的方法导出模型的静态图,即无法识别出模型中的控制流(如循环);记录法则能通过解析模型来正确记录所有的控制流。我们以下面这段代码为例来看一看这两种转换方法的区别:

import torch 
 
class Model(torch.nn.Module): 
    def __init__(self, n): 
        super().__init__() 
        self.n = n 
        self.conv = torch.nn.Conv2d(3, 3, 3) 
 
    def forward(self, x): 
        for i in range(self.n): 
            x = self.conv(x) 
        return x 
 
 
models = [Model(2), Model(3)] 
model_names = ['model_2', 'model_3'] 
 
for model, model_name in zip(models, model_names): 
    dummy_input = torch.rand(1, 3, 10, 10) 
    dummy_output = model(dummy_input) 
    model_trace = torch.jit.trace(model, dummy_input) 
    model_script = torch.jit.script(model) 
 
    # 跟踪法与直接 torch.onnx.export(model, ...)等价 
    torch.onnx.export(model_trace, dummy_input, f'{model_name}_trace.onnx', example_outputs=dummy_output) 
    # 记录法必须先调用 torch.jit.sciprt 
    torch.onnx.export(model_script, dummy_input, f'{model_name}_script.onnx', example_outputs=dummy_output) 

在这段代码里,我们定义了一个带循环的模型,模型通过参数n来控制输入张量被卷积的次数。之后,我们各创建了一个n=2n=3的模型。我们把这两个模型分别用跟踪和记录的方法进行导出。
值得一提的是,由于这里的两个模型(model_tracemodel_script)是 TorchScript 模型,export函数已经不需要再运行一遍模型了。(如果模型是用跟踪法得到的,那么在执行torch.jit.trace的时候就运行过一遍了;而用记录法导出时,模型不需要实际运行)参数中的dummy_inputdummy_output`仅仅是为了获取输入和输出张量的类型和形状。
运行上面的代码,我们把得到的 4 个 onnx 文件用 Netron 可视化:

首先看跟踪法得到的 ONNX 模型结构。可以看出来,对于不同的 n,ONNX 模型的结构是不一样的。

而用记录法的话,最终的 ONNX 模型用 Loop 节点来表示循环。这样哪怕对于不同的 n,ONNX 模型也有同样的结构。

本文使用的 PyTorch 版本是 1.8.2。据反馈,其他版本的 PyTorch 可能会得到不一样的结果。

由于推理引擎对静态图的支持更好,通常我们在模型部署时不需要显式地把 PyTorch 模型转成 TorchScript 模型,直接把 PyTorch 模型用 torch.onnx.export 跟踪导出即可。了解这部分的知识主要是为了在模型转换报错时能够更好地定位问题是否发生在 PyTorch 转 TorchScript 阶段。

参数讲解

了解完转换函数的原理后,我们来详细介绍一下该函数的主要参数的作用。我们主要会从应用的角度来介绍每个参数在不同的模型部署场景中应该如何设置,而不会去列出每个参数的所有设置方法。该函数详细的 API 文档可参考: torch.onnx ‒ PyTorch 1.11.0 documentation
torch.onnx.export 在 torch.onnx.__init__.py文件中的定义如下:

def export(model, args, f, export_params=True, verbose=False, training=TrainingMode.EVAL, 
           input_names=None, output_names=None, aten=False, export_raw_ir=False, 
           operator_export_type=None, opset_version=None, _retain_param_name=True, 
           do_constant_folding=True, example_outputs=None, strip_doc_string=True, 
           dynamic_axes=None, keep_initializers_as_inputs=None, custom_opsets=None, 
           enable_onnx_checker=True, use_external_data_format=False): 

前三个必选参数为模型、模型输入、导出的 onnx 文件名,我们对这几个参数已经很熟悉了。我们来着重看一下后面的一些常用可选参数。

export_params

模型中是否存储模型权重。一般中间表示包含两大类信息:模型结构和模型权重,这两类信息可以在同一个文件里存储,也可以分文件存储。ONNX 是用同一个文件表示记录模型的结构和权重的。
我们部署时一般都默认这个参数为 True。如果 onnx 文件是用来在不同框架间传递模型(比如 PyTorch 到 Tensorflow)而不是用于部署,则可以令这个参数为 False。

input_names, output_names

设置输入和输出张量的名称。如果不设置的话,会自动分配一些简单的名字(如数字)。
ONNX 模型的每个输入和输出张量都有一个名字。很多推理引擎在运行 ONNX 文件时,都需要以“名称-张量值”的数据对来输入数据,并根据输出张量的名称来获取输出数据。在进行跟张量有关的设置(比如添加动态维度)时,也需要知道张量的名字。
在实际的部署流水线中,我们都需要设置输入和输出张量的名称,并保证 ONNX 和推理引擎中使用同一套名称。

opset_version

转换时参考哪个 ONNX 算子集版本,默认为 9。后文会详细介绍 PyTorch 与 ONNX 的算子对应关系。

dynamic_axes

指定输入输出张量的哪些维度是动态的。
为了追求效率,ONNX 默认所有参与运算的张量都是静态的(张量的形状不发生改变)。但在实际应用中,我们又希望模型的输入张量是动态的,尤其是本来就没有形状限制的全卷积模型。因此,我们需要显式地指明输入输出张量的哪几个维度的大小是可变的。
我们来看一个dynamic_axes的设置例子:

import torch 
 
class Model(torch.nn.Module): 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
        self.conv = torch.nn.Conv2d(3, 3, 3) 
 
    def forward(self, x): 
        x = self.conv(x) 
        return x 
 
 
model = Model() 
dummy_input = torch.rand(1, 3, 10, 10) 
model_names = ['model_static.onnx',  
'model_dynamic_0.onnx',  
'model_dynamic_23.onnx'] 
 
dynamic_axes_0 = { 
    'in' : [0], 
    'out' : [0] 
} 
dynamic_axes_23 = { 
    'in' : [2, 3], 
    'out' : [2, 3] 
} 
 
torch.onnx.export(model, dummy_input, model_names[0],  
input_names=['in'], output_names=['out']) 
torch.onnx.export(model, dummy_input, model_names[1],  
input_names=['in'], output_names=['out'], dynamic_axes=dynamic_axes_0) 
torch.onnx.export(model, dummy_input, model_names[2],  
input_names=['in'], output_names=['out'], dynamic_axes=dynamic_axes_23) 

首先,我们导出 3 个 ONNX 模型,分别为没有动态维度、第 0 维动态、第 2 第 3 维动态的模型。
在这份代码里,我们是用列表的方式表示动态维度,例如:

dynamic_axes_0 = { 
    'in' : [0], 
    'out' : [0] 
} 


由于 ONNX 要求每个动态维度都有一个名字,这样写的话会引出一条 UserWarning,警告我们通过列表的方式设置动态维度的话系统会自动为它们分配名字。一种显式添加动态维度名字的方法如下:

dynamic_axes_0 = { 
    'in' : {0: 'batch'}, 
    'out' : {0: 'batch'} 
} 

由于在这份代码里我们没有更多的对动态维度的操作,因此简单地用列表指定动态维度即可。
之后,我们用下面的代码来看一看动态维度的作用:

import onnxruntime 
import numpy as np 
 
origin_tensor = np.random.rand(1, 3, 10, 10).astype(np.float32) 
mult_batch_tensor = np.random.rand(2, 3, 10, 10).astype(np.float32) 
big_tensor = np.random.rand(1, 3, 20, 20).astype(np.float32) 
 
inputs = [origin_tensor, mult_batch_tensor, big_tensor] 
exceptions = dict() 
 
for model_name in model_names: 
    for i, input in enumerate(inputs): 
        try: 
            ort_session = onnxruntime.InferenceSession(model_name) 
            ort_inputs = {'in': input} 
            ort_session.run(['out'], ort_inputs) 
        except Exception as e: 
            exceptions[(i, model_name)] = e 
            print(f'Input[{i}] on model {model_name} error.') 
        else: 
            print(f'Input[{i}] on model {model_name} succeed.') 

我们在模型导出计算图时用的是一个形状为(1, 3, 10, 10)的张量。现在,我们来尝试以形状分别是(1, 3, 10, 10), (2, 3, 10, 10), (1, 3, 20, 20)为输入,用ONNX Runtime运行一下这几个模型,看看哪些情况下会报错,并保存对应的报错信息。得到的输出信息应该如下:

Input[0] on model model_static.onnx succeed. 
Input[1] on model model_static.onnx error. 
Input[2] on model model_static.onnx error. 
Input[0] on model model_dynamic_0.onnx succeed. 
Input[1] on model model_dynamic_0.onnx succeed. 
Input[2] on model model_dynamic_0.onnx error. 
Input[0] on model model_dynamic_23.onnx succeed. 
Input[1] on model model_dynamic_23.onnx error. 
Input[2] on model model_dynamic_23.onnx succeed. 

可以看出,形状相同的(1, 3, 10, 10)的输入在所有模型上都没有出错。而对于batch(第 0 维)或者长宽(第 2、3维)不同的输入,只有在设置了对应的动态维度后才不会出错。我们可以错误信息中找出是哪些维度出了问题。比如我们可以用以下代码查看input[1]model_static.onnx中的报错信息:

print(exceptions[(1, 'model_static.onnx')]) 
 
# output 
# [ONNXRuntimeError] : 2 : INVALID_ARGUMENT : Got invalid dimensions for input: in for the following indices index: 0 Got: 2 Expected: 1 Please fix either the inputs or the model. 

这段报错告诉我们名字叫in的输入的第 0 维不匹配。本来该维的长度应该为 1,但我们的输入是 2。实际部署中,如果我们碰到了类似的报错,就可以通过设置动态维度来解决问题。

使用提示

通过学习之前的知识,我们基本掌握了 torch.onnx.export函数的部分实现原理和参数设置方法,足以完成简单模型的转换了。但在实际应用中,使用该函数还会踩很多坑。这里我们模型部署团队把在实战中积累的一些经验分享给大家。

使模型在 ONNX 转换时有不同的行为

有些时候,我们希望模型在导出至 ONNX 时有一些不同的行为模型在直接用 PyTorch 推理时有一套逻辑,而在导出的ONNX模型中有另一套逻辑。比如,我们可以把一些后处理的逻辑放在模型里,以简化除运行模型之外的其他代码。torch.onnx.is_in_onnx_export()可以实现这一任务,该函数仅在执行 torch.onnx.export()时为真。以下是一个例子:

import torch 
 
class Model(torch.nn.Module): 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
        self.conv = torch.nn.Conv2d(3, 3, 3) 
 
    def forward(self, x): 
        x = self.conv(x) 
        if torch.onnx.is_in_onnx_export(): 
            x = torch.clip(x, 0, 1) 
        return x 


这里,我们仅在模型导出时把输出张量的数值限制在[0, 1]之间。使用 is_in_onnx_export确实能让我们方便地在代码中添加和模型部署相关的逻辑。但是,这些代码对只关心模型训练的开发者和用户来说很不友好,突兀的部署逻辑会降低代码整体的可读性。同时,is_in_onnx_export只能在每个需要添加部署逻辑的地方都“打补丁”,难以进行统一的管理。我们之后会介绍如何使用 MMDeploy 的重写机制来规避这些问题。

利用中断张量跟踪的操作

PyTorch 转 ONNX 的跟踪导出法是不是万能的。如果我们在模型中做了一些很“出格”的操作,跟踪法会把某些取决于输入的中间结果变成常量,从而使导出的 ONNX 模型和原来的模型有出入。以下是一个会造成这种“跟踪中断”的例子:

class Model(torch.nn.Module): 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
 
    def forward(self, x): 
        x = x * x[0].item() 
        return x, torch.Tensor([i for i in x]) 
 
model = Model()       
dummy_input = torch.rand(10) 
torch.onnx.export(model, dummy_input, 'a.onnx') 

如果你尝试去导出这个模型,会得到一大堆 warning,告诉你转换出来的模型可能不正确。这也难怪,我们在这个模型里使用了.item()把 torch 中的张量转换成了普通的 Python 变量,还尝试遍历 torch 张量,并用一个列表新建一个 torch 张量。这些涉及张量与普通变量转换的逻辑都会导致最终的 ONNX 模型不太正确。
另一方面,我们也可以利用这个性质,在保证正确性的前提下令模型的中间结果变成常量。这个技巧常常用于模型的静态化上,即令模型中所有的张量形状都变成常量。在未来的教程中,我们会在部署实例中详细介绍这些“高级”操作。

使用张量为输入(PyTorch版本 < 1.9.0)

正如我们第一篇教程所展示的,在较旧(< 1.9.0)的 PyTorch 中把 Python 数值作为 torch.onnx.export()的模型输入时会报错。出于兼容性的考虑,我们还是推荐以张量为模型转换时的模型输入。

PyTorch 对 ONNX 的算子支持

在确保torch.onnx.export()的调用方法无误后,PyTorch 转 ONNX 时最容易出现的问题就是算子不兼容了。这里我们会介绍如何判断某个 PyTorch 算子在 ONNX 中是否兼容,以助大家在碰到报错时能更好地把错误归类。而具体添加算子的方法我们会在之后的文章里介绍。
在转换普通的torch.nn.Module模型时,PyTorch 一方面会用跟踪法执行前向推理,把遇到的算子整合成计算图;另一方面,PyTorch 还会把遇到的每个算子翻译成 ONNX 中定义的算子。在这个翻译过程中,可能会碰到以下情况:

  • 该算子可以一对一地翻译成一个 ONNX 算子。
  • 该算子在 ONNX 中没有直接对应的算子,会翻译成一至多个 ONNX 算子。
  • 该算子没有定义翻译成 ONNX 的规则,报错。

那么,该如何查看 PyTorch 算子与 ONNX 算子的对应情况呢?由于 PyTorch 算子是向 ONNX 对齐的,这里我们先看一下 ONNX 算子的定义情况,再看一下 PyTorch 定义的算子映射关系。

ONNX 算子文档

ONNX 算子的定义情况,都可以在官方的算子文档中查看。这份文档十分重要,我们碰到任何和 ONNX 算子有关的问题都得来”请教“这份文档

这份文档中最重要的开头的这个算子变更表格。表格的第一列是算子名,第二列是该算子发生变动的算子集版本号,也就是我们之前在torch.onnx.export中提到的opset_version表示的算子集版本号。通过查看算子第一次发生变动的版本号,我们可以知道某个算子是从哪个版本开始支持的;通过查看某算子小于等于opset_version的第一个改动记录,我们可以知道当前算子集版本中该算子的定义规则。

通过点击表格中的链接,我们可以查看某个算子的输入、输出参数规定及使用示例。比如上图是 Relu 在 ONNX 中的定义规则,这份定义表明 Relu 应该有一个输入和一个输入,输入输出的类型相同,均为 tensor。

PyTorch 对 ONNX 算子的映射

在 PyTorch 中,和 ONNX 有关的定义全部放在 torch.onnx目录中,如下图所示:

其中,symbolic_opset{n}.py(符号表文件)即表示 PyTorch 在支持第 n 版 ONNX 算子集时新加入的内容。我们之前讲过, bicubic 插值是在第 11 个版本开始支持的。我们以它为例来看看如何查找算子的映射情况。
首先,使用搜索功能,在torch/onnx文件夹搜索”bicubic”,可以发现这个这个插值在第 11 个版本的定义文件中:

之后,我们按照代码的调用逻辑,逐步跳转直到最底层的 ONNX 映射函数:

upsample_bicubic2d = _interpolate("upsample_bicubic2d", 4, "cubic") 
 
-> 
 
def _interpolate(name, dim, interpolate_mode): 
    return sym_help._interpolate_helper(name, dim, interpolate_mode) 
 
-> 
 
def _interpolate_helper(name, dim, interpolate_mode): 
    def symbolic_fn(g, input, output_size, *args): 
        ... 
 
    return symbolic_fn 

最后,在symbolic_fn中,我们可以看到插值算子是怎么样被映射成多个 ONNX 算子的。其中,每一个g.op就是一个 ONNX 的定义。比如其中的 Resize 算子就是这样写的:

return g.op("Resize", 
                input, 
                empty_roi, 
                empty_scales, 
                output_size, 
                coordinate_transformation_mode_s=coordinate_transformation_mode, 
                cubic_coeff_a_f=-0.75,  # only valid when mode="cubic" 
                mode_s=interpolate_mode,  # nearest, linear, or cubic 
                nearest_mode_s="floor")  # only valid when mode="nearest" 

通过在前面提到的ONNX 算子文档中查找 Resize 算子的定义,我们就可以知道这每一个参数的含义了。用类似的方法,我们可以去查询其他 ONNX 算子的参数含义,进而知道 PyTorch 中的参数是怎样一步一步传入到每个 ONNX 算子中的。
掌握了如何查询 PyTorch 映射到 ONNX 的关系后,我们在实际应用时就可以在 torch.onnx.export()opset_version中先预设一个版本号,碰到了问题就去对应的 PyTorch 符号表文件里去查。如果某算子确实不存在,或者算子的映射关系不满足我们的要求,我们就可能得用其他的算子绕过去,或者自定义算子了。

总结

在这篇教程中,我们系统地介绍了 PyTorch 转 ONNX 的原理。我们先是着重讲解了使用最频繁的 torch.onnx.export函数,又给出了查询 PyTorch 对 ONNX 算子支持情况的方法。通过本文,我们希望大家能够成功转换出大部分不需要添加新算子的 ONNX 模型,并在碰到算子问题时能够有效定位问题原因。具体而言,大家读完本文后应该了解以下的知识:

  • 跟踪法和记录法在导出带控制语句的计算图时有什么区别。
  • torch.onnx.export()中该如何设置 input_names, output_names, dynamic_axes
  • 使用 torch.onnx.is_in_onnx_export()来使模型在转换到 ONNX 时有不同的行为。
  • 如何查询 ONNX 算子文档(https://github.com/onnx/onnx/blob/main/docs/Operators.md)。
  • 如何查询 PyTorch 对某个 ONNX 版本的新特性支持情况。
  • 如何判断 PyTorch 对某个 ONNX 算子是否支持,支持的方法是怎样的。

模型部署:解决模型部署中的难题

转:模型部署入门教程(二):解决模型部署中的难题

我们部署了一个简单的超分辨率模型,一切都十分顺利。但是,上一个模型还有一些缺陷——图片的放大倍数固定是 4,我们无法让图片放大任意的倍数。现在,我们来尝试部署一个支持动态放大倍数的模型,体验一下在模型部署中可能会碰到的困难。

模型部署中常见的难题

在之前的学习中,我们在模型部署上顺风顺水,没有碰到任何问题。这是因为 SRCNN 模型只包含几个简单的算子,而这些卷积、插值算子已经在各个中间表示和推理引擎上得到了完美支持。如果模型的操作稍微复杂一点,我们可能就要为兼容模型而付出大量的功夫了。实际上,模型部署时一般会碰到以下几类困难:

  • 模型的动态化。出于性能的考虑,各推理框架都默认模型的输入形状、输出形状、结构是静态的。而为了让模型的泛用性更强,部署时需要在尽可能不影响原有逻辑的前提下,让模型的输入输出或是结构动态化。
  • 新算子的实现。深度学习技术日新月异,提出新算子的速度往往快于 ONNX 维护者支持的速度。为了部署最新的模型,部署工程师往往需要自己在 ONNX 和推理引擎中支持新算子。
  • 中间表示与推理引擎的兼容问题。由于各推理引擎的实现不同,对 ONNX 难以形成统一的支持。为了确保模型在不同的推理引擎中有同样的运行效果,部署工程师往往得为某个推理引擎定制模型代码,这为模型部署引入了许多工作量。

现在,让我们对原来的 SRCNN 模型做一些小的修改,体验一下模型动态化对模型部署造成的困难,并学习解决该问题的一种方法。

实现动态放大的超分辨率模型

在原来的 SRCNN 中,图片的放大比例是写死在模型里的:

class SuperResolutionNet(nn.Module): 
    def __init__(self, upscale_factor): 
        super().__init__() 
        self.upscale_factor = upscale_factor 
        self.img_upsampler = nn.Upsample( 
            scale_factor=self.upscale_factor, 
            mode='bicubic', 
            align_corners=False) 
 
... 
 
def init_torch_model(): 
    torch_model = SuperResolutionNet(upscale_factor=3) 
 

我们使用 upscale_factor 来控制模型的放大比例。初始化模型的时候,我们默认令 upscale_factor 为 3,生成了一个放大 3 倍的 PyTorch 模型。这个 PyTorch 模型最终被转换成了 ONNX 格式的模型。如果我们需要一个放大 4 倍的模型,需要重新生成一遍模型,再做一次到 ONNX 的转换。

现在,假设我们要做一个超分辨率的应用。我们的用户希望图片的放大倍数能够自由设置。而我们交给用户的,只有一个 .onnx 文件和运行超分辨率模型的应用程序。我们在不修改 .onnx 文件的前提下改变放大倍数。

因此,我们必须修改原来的模型,令模型的放大倍数变成推理时的输入。在上一篇文章中的 Python 脚本的基础上,我们做一些修改,得到这样的脚本:

import torch 
from torch import nn 
from torch.nn.functional import interpolate 
import torch.onnx 
import cv2 
import numpy as np 
 
 
class SuperResolutionNet(nn.Module): 
 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
 
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=9, padding=4) 
        self.conv2 = nn.Conv2d(64, 32, kernel_size=1, padding=0) 
        self.conv3 = nn.Conv2d(32, 3, kernel_size=5, padding=2) 
 
        self.relu = nn.ReLU() 
 
    def forward(self, x, upscale_factor): 
        x = interpolate(x, 
                        scale_factor=upscale_factor, 
                        mode='bicubic', 
                        align_corners=False) 
        out = self.relu(self.conv1(x)) 
        out = self.relu(self.conv2(out)) 
        out = self.conv3(out) 
        return out 
 
 
def init_torch_model(): 
    torch_model = SuperResolutionNet() 
 
    state_dict = torch.load('srcnn.pth')['state_dict'] 
 
    # Adapt the checkpoint 
    for old_key in list(state_dict.keys()): 
        new_key = '.'.join(old_key.split('.')[1:]) 
        state_dict[new_key] = state_dict.pop(old_key) 
 
    torch_model.load_state_dict(state_dict) 
    torch_model.eval() 
    return torch_model 
 
 
model = init_torch_model() 
 
input_img = cv2.imread('face.png').astype(np.float32) 
 
# HWC to NCHW 
input_img = np.transpose(input_img, [2, 0, 1]) 
input_img = np.expand_dims(input_img, 0) 
 
# Inference 
torch_output = model(torch.from_numpy(input_img), 3).detach().numpy() 
 
# NCHW to HWC 
torch_output = np.squeeze(torch_output, 0) 
torch_output = np.clip(torch_output, 0, 255) 
torch_output = np.transpose(torch_output, [1, 2, 0]).astype(np.uint8) 
 
# Show image 
cv2.imwrite("face_torch_2.png", torch_output) 

SuperResolutionNet 未修改之前,nn.Upsample 在初始化阶段固化了放大倍数,而 PyTorch 的 interpolate 插值算子可以在运行阶段选择放大倍数。因此,我们在新脚本中使用 interpolate 代替 nn.Upsample,从而让模型支持动态放大倍数的超分。 在第 55 行使用模型推理时,我们把放大倍数设置为 3。最后,图片保存在文件 “face_torch_2.png” 中。一切正常的话,”face_torch_2.png” 和 “face_torch.png” 的内容一模一样。

通过简单的修改,PyTorch 模型已经支持了动态分辨率。现在我们来尝试一下导出模型:

x = torch.randn(1, 3, 256, 256) 
 
with torch.no_grad(): 
    torch.onnx.export(model, (x, 3), 
                      "srcnn2.onnx", 
                      opset_version=11, 
                      input_names=['input', 'factor'], 
                      output_names=['output']) 
 

运行这些脚本时,会报一长串错误。没办法,我们碰到了模型部署中的兼容性问题。

解决方法:自定义算子

直接使用 PyTorch 模型的话,我们修改几行代码就能实现模型输入的动态化。但在模型部署中,我们要花数倍的时间来设法解决这一问题。现在,让我们顺着解决问题的思路,体验一下模型部署的困难,并学习使用自定义算子的方式,解决超分辨率模型的动态化问题。

刚刚的报错是因为 PyTorch 模型在导出到 ONNX 模型时,模型的输入参数的类型必须全部是 torch.Tensor。而实际上我们传入的第二个参数” 3 “是一个整形变量。这不符合 PyTorch 转 ONNX 的规定。我们必须要修改一下原来的模型的输入。为了保证输入的所有参数都是 torch.Tensor 类型的,我们做如下修改

... 
 
class SuperResolutionNet(nn.Module): 
 
    def forward(self, x, upscale_factor): 
        x = interpolate(x, 
                        scale_factor=upscale_factor.item(), 
                        mode='bicubic', 
                        align_corners=False) 
 
... 
 
# Inference 
# Note that the second input is torch.tensor(3) 
torch_output = model(torch.from_numpy(input_img), torch.tensor(3)).detach().numpy() 
 
... 
 
with torch.no_grad(): 
    torch.onnx.export(model, (x, torch.tensor(3)), 
                      "srcnn2.onnx", 
                      opset_version=11, 
                      input_names=['input', 'factor'], 
                      output_names=['output']) 

由于 PyTorch 中 interpolate 的 scale_factor 参数必须是一个数值,我们使用 torch.Tensor.item() 来把只有一个元素的 torch.Tensor 转换成数值。之后,在模型推理时,我们使用 torch.tensor(3) 代替 3,以使得我们的所有输入都满足要求。现在运行脚本的话,无论是直接运行模型,还是导出 ONNX 模型,都不会报错了。

但是,导出 ONNX 时却报了一条 TraceWarning 的警告。这条警告说有一些量可能会追踪失败。这是怎么回事呢?让我们把生成的 srcnn2.onnx 用 Netron 可视化一下:

可以发现,虽然我们把模型推理的输入设置为了两个,但 ONNX 模型还是长得和原来一模一样,只有一个叫 ” input ” 的输入。这是由于我们使用了 torch.Tensor.item() 把数据从 Tensor 里取出来,而导出 ONNX 模型时这个操作是无法被记录的,只好报了一条 TraceWarning。这导致 interpolate 插值函数的放大倍数还是被设置成了” 3 “这个固定值,我们导出的” srcnn2.onnx “和最开始的” srcnn.onnx “完全相同。

直接修改原来的模型似乎行不通,我们得从 PyTorch 转 ONNX 的原理入手,强行令 ONNX 模型明白我们的想法了。

仔细观察 Netron 上可视化出的 ONNX 模型,可以发现在 PyTorch 中无论是使用最早的 nn.Upsample,还是后来的 interpolate,PyTorch 里的插值操作最后都会转换成 ONNX 定义的 Resize 操作。也就是说,所谓 PyTorch 转 ONNX,实际上就是把每个 PyTorch 的操作映射成了 ONNX 定义的算子。

点击该算子,可以看到它的详细参数如下:

其中,展开 scales,可以看到 scales 是一个长度为 4 的一维张量,其内容为 [1, 1, 3, 3], 表示 Resize 操作每一个维度的缩放系数;其类型为 Initializer,表示这个值是根据常量直接初始化出来的。如果我们能够自己生成一个 ONNX 的 Resize 算子,让 scales 成为一个可变量而不是常量,就像它上面的 X 一样,那这个超分辨率模型就能动态缩放了。

现有实现插值的 PyTorch 算子有一套规定好的映射到 ONNX Resize 算子的方法,这些映射出的 Resize 算子的 scales 只能是常量,无法满足我们的需求。我们得自己定义一个实现插值的 PyTorch 算子,然后让它映射到一个我们期望的 ONNX Resize 算子上。

下面的脚本定义了一个 PyTorch 插值算子,并在模型里使用了它。我们先通过运行模型来验证该算子的正确性:

import torch 
from torch import nn 
from torch.nn.functional import interpolate 
import torch.onnx 
import cv2 
import numpy as np 
 
 
class NewInterpolate(torch.autograd.Function): 
 
    @staticmethod 
    def symbolic(g, input, scales): 
        return g.op("Resize", 
                    input, 
                    g.op("Constant", 
                         value_t=torch.tensor([], dtype=torch.float32)), 
                    scales, 
                    coordinate_transformation_mode_s="pytorch_half_pixel", 
                    cubic_coeff_a_f=-0.75, 
                    mode_s='cubic', 
                    nearest_mode_s="floor") 
 
    @staticmethod 
    def forward(ctx, input, scales): 
        scales = scales.tolist()[-2:] 
        return interpolate(input, 
                           scale_factor=scales, 
                           mode='bicubic', 
                           align_corners=False) 
 
 
class StrangeSuperResolutionNet(nn.Module): 
 
    def __init__(self): 
        super().__init__() 
 
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=9, padding=4) 
        self.conv2 = nn.Conv2d(64, 32, kernel_size=1, padding=0) 
        self.conv3 = nn.Conv2d(32, 3, kernel_size=5, padding=2) 
 
        self.relu = nn.ReLU() 
 
    def forward(self, x, upscale_factor): 
        x = NewInterpolate.apply(x, upscale_factor) 
        out = self.relu(self.conv1(x)) 
        out = self.relu(self.conv2(out)) 
        out = self.conv3(out) 
        return out 
 
 
def init_torch_model(): 
    torch_model = StrangeSuperResolutionNet() 
 
    state_dict = torch.load('srcnn.pth')['state_dict'] 
 
    # Adapt the checkpoint 
    for old_key in list(state_dict.keys()): 
        new_key = '.'.join(old_key.split('.')[1:]) 
        state_dict[new_key] = state_dict.pop(old_key) 
 
    torch_model.load_state_dict(state_dict) 
    torch_model.eval() 
    return torch_model 
 
 
model = init_torch_model() 
factor = torch.tensor([1, 1, 3, 3], dtype=torch.float) 
 
input_img = cv2.imread('face.png').astype(np.float32) 
 
# HWC to NCHW 
input_img = np.transpose(input_img, [2, 0, 1]) 
input_img = np.expand_dims(input_img, 0) 
 
# Inference 
torch_output = model(torch.from_numpy(input_img), factor).detach().numpy() 
 
# NCHW to HWC 
torch_output = np.squeeze(torch_output, 0) 
torch_output = np.clip(torch_output, 0, 255) 
torch_output = np.transpose(torch_output, [1, 2, 0]).astype(np.uint8) 
 
# Show image 
cv2.imwrite("face_torch_3.png", torch_output) 

模型运行正常的话,一幅放大3倍的超分辨率图片会保存在”face_torch_3.png”中,其内容和”face_torch.png”完全相同。

在刚刚那个脚本中,我们定义 PyTorch 插值算子的代码如下:

class NewInterpolate(torch.autograd.Function): 
 
    @staticmethod 
    def symbolic(g, input, scales): 
        return g.op("Resize", 
                    input, 
                    g.op("Constant", 
                         value_t=torch.tensor([], dtype=torch.float32)), 
                    scales, 
                    coordinate_transformation_mode_s="pytorch_half_pixel", 
                    cubic_coeff_a_f=-0.75, 
                    mode_s='cubic', 
                    nearest_mode_s="floor") 
 
    @staticmethod 
    def forward(ctx, input, scales): 
        scales = scales.tolist()[-2:] 
        return interpolate(input, 
                           scale_factor=scales, 
                           mode='bicubic', 
                           align_corners=False) 

在具体介绍这个算子的实现前,让我们先理清一下思路。我们希望新的插值算子有两个输入,一个是被用于操作的图像,一个是图像的放缩比例。前面讲到,为了对接 ONNX 中 Resize 算子的 scales 参数,这个放缩比例是一个 [1, 1, x, x] 的张量,其中 x 为放大倍数。在之前放大3倍的模型中,这个参数被固定成了[1, 1, 3, 3]。因此,在插值算子中,我们希望模型的第二个输入是一个 [1, 1, w, h] 的张量,其中 w 和 h 分别是图片宽和高的放大倍数。

搞清楚了插值算子的输入,再看一看算子的具体实现。算子的推理行为由算子的 foward 方法决定。该方法的第一个参数必须为 ctx,后面的参数为算子的自定义输入,我们设置两个输入,分别为被操作的图像和放缩比例。为保证推理正确,需要把 [1, 1, w, h] 格式的输入对接到原来的 interpolate 函数上。我们的做法是截取输入张量的后两个元素,把这两个元素以 list 的格式传入 interpolate 的 scale_factor 参数。

接下来,我们要决定新算子映射到 ONNX 算子的方法。映射到 ONNX 的方法由一个算子的 symbolic 方法决定。symbolic 方法第一个参数必须是g,之后的参数是算子的自定义输入,和 forward 函数一样。ONNX 算子的具体定义由 g.op 实现。g.op 的每个参数都可以映射到 ONNX 中的算子属性:

对于其他参数,我们可以照着现在的 Resize 算子填。而要注意的是,我们现在希望 scales 参数是由输入动态决定的。因此,在填入 ONNX 的 scales 时,我们要把 symbolic 方法的输入参数中的 scales 填入。

接着,让我们把新模型导出成 ONNX 模型:

x = torch.randn(1, 3, 256, 256) 
 
with torch.no_grad(): 
    torch.onnx.export(model, (x, factor), 
                      "srcnn3.onnx", 
                      opset_version=11, 
                      input_names=['input', 'factor'], 
                      output_names=['output']) 

把导出的 ” srcnn3.onnx ” 进行可视化:

可以看到,正如我们所期望的,导出的 ONNX 模型有了两个输入!第二个输入表示图像的放缩比例。

之前在验证 PyTorch 模型和导出 ONNX 模型时,我们宽高的缩放比例设置成了 3×3。现在,在用 ONNX Runtime 推理时,我们尝试使用 4×4 的缩放比例:

import onnxruntime 
 
input_factor = np.array([1, 1, 4, 4], dtype=np.float32) 
ort_session = onnxruntime.InferenceSession("srcnn3.onnx") 
ort_inputs = {'input': input_img, 'factor': input_factor} 
ort_output = ort_session.run(None, ort_inputs)[0] 
 
ort_output = np.squeeze(ort_output, 0) 
ort_output = np.clip(ort_output, 0, 255) 
ort_output = np.transpose(ort_output, [1, 2, 0]).astype(np.uint8) 
cv2.imwrite("face_ort_3.png", ort_output) 

运行上面的代码,可以得到一个边长放大4倍的超分辨率图片 “face_ort_3.png”。动态的超分辨率模型生成成功了!只要修改 input_factor,我们就可以自由地控制图片的缩放比例。

我们刚刚的工作,实际上是绕过 PyTorch 本身的限制,凭空“捏”出了一个 ONNX 算子。事实上,我们不仅可以创建现有的 ONNX 算子,还可以定义新的 ONNX 算子以拓展 ONNX 的表达能力。后续教程中我们将介绍自定义新 ONNX 算子的方法。

总结:

  • 模型部署中常见的几类困难有:模型的动态化;新算子的实现;框架间的兼容。
  • PyTorch 转 ONNX,实际上就是把每一个操作转化成 ONNX 定义的某一个算子。比如对于 PyTorch 中的 Upsample 和 interpolate,在转 ONNX 后最终都会成为 ONNX 的 Resize 算子。
  • 通过修改继承自 torch.autograd.Function 的算子的 symbolic 方法,可以改变该算子映射到 ONNX 算子的行为。