深度解讀嵌入式視覺的幾個(gè)典型應(yīng)用

引言

如何做AI視覺應(yīng)用的嵌入式部署分為硬件選型，軟件框架和優(yōu)化的選擇，模型算法的設(shè)計(jì)三大板塊。

AI視覺應(yīng)用云端部署VS嵌入式端部署

大家其實(shí)對于AI深度學(xué)習(xí)已經(jīng)很熟悉了，我們在服務(wù)器上就可以用GPU或者Tensorflow來做訓(xùn)練，訓(xùn)練完之后要做推理計(jì)算。推理最簡單的一個(gè)方法就是放在云端，用云端推理的板卡比如NVIDIA的T4或者國產(chǎn)NPU做推理計(jì)算。在云端，推理計(jì)算是廣泛使用的。百度的API或者Face++等云端API是在前端探測數(shù)據(jù)，把視頻圖像傳回云端，云端做完處理返回結(jié)果，這就是云端的部署。

嵌入式部署其實(shí)和云端部署很相似，只不過是在最后把模型發(fā)送到了嵌入式設(shè)備上（手機(jī)和無人機(jī)），那它是在手機(jī)和無人機(jī)上來做推理計(jì)算，這就是我們認(rèn)為嵌入式部署的AI使用模型情況。

1.1

嵌入式視覺典型應(yīng)用

列舉幾個(gè)典型的嵌入式視覺應(yīng)用。

第一個(gè)是輔助駕駛或者自動(dòng)駕駛，在駕駛的車上會有AI處理加速的模塊，應(yīng)用了AI算法。在這種場景下做AI的嵌入式部署主要是為了環(huán)境的感知、目標(biāo)的檢測追蹤或者在無人機(jī)上可能會做視覺或激光的SLAM，為了在嵌入式端實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性。

第二個(gè)是手機(jī)的美顏和AR。預(yù)覽和編輯操作都是在手機(jī)本地完成的，它其實(shí)是完成了更好的交互性，給用戶的體驗(yàn)性更好。從另一方面對于手機(jī)APP公司來說，是更加節(jié)省成本的，比如你編輯一段視頻，這里的AR操作返回給服務(wù)器來做，成本是很高的。

第三個(gè)是邊緣智能化盒子，優(yōu)勢是兼容了已有的攝像頭。在安防場景和智能社區(qū)里已有很多傳統(tǒng)的攝像頭，但使用邊緣智能化盒子，能夠處理多路且兼容已有攝像頭，從節(jié)省成本上來說也是一個(gè)好的選擇。

嵌入式AI硬件選型

2.1

Intel CPU或NVIDIA GPU

嵌入式AI的硬件是怎么選型的？

第一個(gè)常見的類型是工控機(jī)，用X86的CPU加上NVIDIA的GPU，這種好處就是生態(tài)分層成熟。如果是純CPU的應(yīng)用，深度學(xué)習(xí)一類的應(yīng)用算力可能會偏弱。

第二個(gè)是NVIDIA的TX2和Nano系列，NVIDIA對于嵌入式的AI有專門的這種SoC的芯片，也出了很多板卡，相對成本低，算力也比服務(wù)器低。GPU支持了FP16和FP32的精度，對于嵌入式部署是很有幫助的，意味著模型精度和服務(wù)器上訓(xùn)練的精度幾乎能保持一致。

服務(wù)器都是用32位做訓(xùn)練，如果說其他的NPU轉(zhuǎn)換成Int8的話，必然會造成精度的損失。唯一的弱點(diǎn)就是主CPU偏弱，就只是ARM Cortex-A57的四核或多核。如果放在無人機(jī)上使用，無人機(jī)應(yīng)用很多是很復(fù)雜的，不是深度學(xué)習(xí)或GPU就能加速的，這里用ARM Cortex-A57可能就會存在問題。這實(shí)際上是NVIDIA的嵌入式系列面臨的一些挑戰(zhàn)，主要是要評估組合性能是不是好。

2.2

AMD APU

目前AMD的處理器用的偏少。它的CPU比較好，能夠?qū)?biāo)到i7主屏比較高的CPU ，GPU也不錯(cuò)，比TX2的性能要提高2倍，整體性能還可以，也可以利用X86上面的生態(tài)，存在的問題是它的編程需要OpenCL，這比CUDA要弱，就是它存在深度學(xué)習(xí)的部署門檻。另外就是它這款盒子的功耗偏高，比NVIADA的TX2或Nano高一倍，但性能加強(qiáng)了。利用AMD的APU盒子放在駕校車上是比較好用的。

2.3

主流嵌入式AI開發(fā)板

大家也知道具備NPU的SoC芯片其實(shí)是越來越多的，之前是以加速卡的形式來存在，比如一個(gè)USB的NPU加速棒插在已有設(shè)備上。如果你是做嵌入式的部署，不要選擇這種分離式的USB加速設(shè)備，因?yàn)樗€(wěn)定性較差，另外數(shù)據(jù)傳輸比較麻煩。盡量選擇集成在一起的帶NPU的SoC，這是第一選擇。目前帶NPU的SoC也是越來越多的，廠商也越來越多。在華為芯片被禁之前，市面上主要的選擇都是華為系列，大概有四款帶NPU的，從低端的0.5T-1T算力，2T-4T算力都有覆蓋。它的好處是成本相比較低，比NVIDIA的同樣算力成本要低很多；第二個(gè)是它的ISP挑的比較好。下面的都是可以替換華為系列的，可以選擇瑞芯微的RK3399、RK1808、RK3588或者全志等。

目前的NPU基本都是8bit量化，在8bit量化下模型精度是如何保證的，工具鏈的成熟度是一個(gè)問題，除此之外就是算力的選擇。如果說想替換華為芯片，要求其他選型是性能超過2T算力，ISP不錯(cuò)，性價(jià)比不錯(cuò)的SoC選擇目前是比較少的，至少在去年底來看還沒有。

第三塊常見的開發(fā)板工作是用FPGA來做AI計(jì)算，主要用在工業(yè)場景下，實(shí)時(shí)性更好。比如在野外、工業(yè)級的無人機(jī)或者研究所機(jī)構(gòu)會要求國產(chǎn)FPGA達(dá)到毫秒級左右的實(shí)時(shí)性。這部分的FPGA基本上是要自研AI的加速軟核。圖中是我們自研的一個(gè)AI加速軟核，它已經(jīng)支持了很多常見的FPGA，AI加速軟盒基本上結(jié)構(gòu)都是這樣。

這部分IP是一個(gè)軟核的IP，部署在FPGA資源上，核心部分有一個(gè)計(jì)算陣列，完成卷積操作。

如果NPU公司卷積只做一個(gè)3x3，就意味著這NPU是用不了的，雖然核心部分加速的很快，但是其他部分必須也是搬到NPU上才能整體的做嵌入式的部署和加速，所以就會需要有相應(yīng)的部署模塊緩沖數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)搬運(yùn)需要把它從內(nèi)存搬運(yùn)到芯片的緩存上，控制邏輯相當(dāng)于發(fā)指令的，控制調(diào)度、計(jì)算部件是怎么執(zhí)行的，基本上NPU都是這幾個(gè)部件組成的，具體的差別是在于并行度的方式不同，可能加了不同的加速部件來得到更好的性能。對于NPU來說第一個(gè)要考查是卷積性能到底怎么樣，第二個(gè)算子是不是能支持的更多，支持的算子更多意味著在CPU端所跑的算子相對少一些而且支持的模型更多。

這個(gè)是我們實(shí)際用FPGA做了一些項(xiàng)目，做無人機(jī)，檢測情況和可見光的處理，都是比較常用的。

在IoT級別的AI操作，我舉的例子是法國的一家叫Greenwave公司，做的是無人機(jī)的一個(gè)自主的飛行控制。在性能方面差很多，基本上只能做到每秒18幀的處理速度，計(jì)算在100M Hz的功耗頻率和6.5fps下整體的功耗是40mW，是非常低的功耗了。IoT級別還會使用在做智能門鈴的場景下，以前的門鈴只是用紅外線檢查是否有人過來，這個(gè)準(zhǔn)確度不高。如果是加一個(gè)智能喚醒模塊在門鈴上，就可以提高判斷的準(zhǔn)確性，這是IoT級別的智能識別圖像。

嵌入式AI軟件性能優(yōu)化

3.1

前向推理框架

實(shí)際上在軟件的推理框架上已經(jīng)有非常多的選擇了，有NVIDIA的TensorRT，Tensorflow lite，騰訊的NCNN，TNN，阿里MNN等等。圖中是Tensorflow lite整體的圖，從訓(xùn)練后的Tensorflow lite的網(wǎng)絡(luò)模型中間會有一個(gè)轉(zhuǎn)換步驟，轉(zhuǎn)換到Tensorflow lite支持的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后再嵌入到手機(jī)APP里。

前后推理框架的核心觀點(diǎn)有五個(gè)。第一個(gè)是設(shè)備管理，比如現(xiàn)在的嵌入式SoC有GPU或者NPU，推理框架能支持這些設(shè)備。第二個(gè)是模型管理，單模型和多模型是不同的管理方式。第三個(gè)是內(nèi)存管理和儲存格式，要考慮是以優(yōu)化內(nèi)存占用優(yōu)先還是以性能優(yōu)先。第四個(gè)是層級融合，Barch Norm層可以和卷積層合并，當(dāng)算子層中之間融合的越多，節(jié)省仿存的操作來發(fā)揮更多的效率。第五個(gè)是實(shí)現(xiàn)方法選擇，這塊需要框架要來處理，根據(jù)不同的輸入特性來選擇不同的實(shí)現(xiàn)算子優(yōu)化的方法，來達(dá)到最高的效率。

3.2

性能評價(jià)

看一下這個(gè)性能對比的例子，從算子優(yōu)化上其實(shí)就可以做到不少的性能提升，在算子上針對卷積算子做了優(yōu)化，在同樣的一個(gè)嵌入式的平臺，獲得了一倍的性能提升，硬件是完全相同的，就靠軟件來做。

以目前來說，性能差距已經(jīng)非常低了。圖中數(shù)據(jù)柱狀線代表的是時(shí)間，測了很多不同的模型。比如ARM Cortex-A76和ARM Cortex-A55，可以看到差距非常小。

我的結(jié)論是如果AI部署是用ARM的CPU，對于小模型哪個(gè)方便用哪個(gè)，對于大模型實(shí)際上是有NPU存在，可以直接用NPU來做，跟推理框架的成熟度關(guān)系不大。

3.3

NPU的性能優(yōu)化

NPU的部署應(yīng)該怎么做或者NPU的性能優(yōu)化能做什么，現(xiàn)在的NPU公司存在兩類情況，一類是完全封死的狀態(tài)，通過Caffe做模型轉(zhuǎn)化，很多算子不支持，要回到CPU來做。

這種情況的轉(zhuǎn)化模型成本很高，遇到一個(gè)新的模型需要算法工程師進(jìn)行手動(dòng)切分，很少有工具去劃分哪些算子是NPU支持的，轉(zhuǎn)化起來就比較麻煩。另一類是類似GPU編程接口，就是提供一個(gè)基礎(chǔ)的加速部件，可以做算子的定制化，好處是網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展較快。當(dāng)出現(xiàn)特殊算子的時(shí)候，不用再放回CPU來做，可以在加速卡NPU上做，這是一個(gè)比較好的趨勢。

嵌入式AI算法模型

4.1

深度學(xué)習(xí)模型

針對嵌入式AI的深度學(xué)習(xí)模型大概有四塊，包含ARM Soc CPU、lnt8量化、模型剪枝和新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ARM Soc CPU來跑深度學(xué)習(xí)模型，卷積在10層卷積或以下，就是小模型才能流暢的跑視覺應(yīng)用。

4.2

Int8量化精度

不管是在CPU還是NPU都要跑量化的模型，發(fā)揮著很重要的速度作用。量化的基本原理是如何用定點(diǎn)數(shù)來表示浮點(diǎn)數(shù)，或者更高的效率表示浮點(diǎn)數(shù)?；镜墓绞钦麛?shù)值減去零點(diǎn)值得出的值乘以刻度值，得出一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，簡單的量化就是這樣處理的。

在處理量化的時(shí)候需要注意，第一個(gè)轉(zhuǎn)化成量化是Per layer量化還是Per Channel量化，Per layer量化代表著輸出的全部用一個(gè)量化參數(shù)，Per Channel量化代表著每一個(gè)Channel都是不同的，量化的系數(shù)也是不同的。目前來說如果想達(dá)到Int8量化比較好的精度，要求模型的權(quán)重參數(shù)要做Per Channel量化。Feature map一般都是用Per layer量化，成本相對較低，硬件實(shí)現(xiàn)也更容易。

第二個(gè)需要注意的是刻度值怎么選擇，一種是支持2的冪，轉(zhuǎn)化的乘法通過定點(diǎn)數(shù)的移位操作當(dāng)成浮點(diǎn)，硬件容易實(shí)現(xiàn)，但精度值差。另一種就是支持任意浮點(diǎn)數(shù)，精度值高。

第三個(gè)注意的是對稱量化和非對稱量化，是和零點(diǎn)值相關(guān)的。對稱量化的零點(diǎn)是不能動(dòng)的，好處是更容易實(shí)現(xiàn)，壞處是數(shù)據(jù)分布有問題。

第四個(gè)注意的是QAT，量化感知的訓(xùn)練。實(shí)際上就是把量化數(shù)據(jù)過程加入進(jìn)去，讓權(quán)重參數(shù)和Feature map的浮點(diǎn)數(shù)來更容易被量化。

最后一個(gè)就是有些模型的量化精度是很難做，需要看大家對于量化精度調(diào)點(diǎn)的要求。不同意調(diào)點(diǎn)的就需要做混合來保證精度。

4.3

模型壓縮技術(shù)-剪枝法

模型壓縮有兩種常用的，一種是非結(jié)構(gòu)化的模型壓縮，靈活程度和稀疏度更高，目前的NPU、FPGA或者加速卡沒辦法去識別權(quán)重的零值。結(jié)構(gòu)化的剪枝就是去除Channel或layer，需要識別出哪些是重要的通道，哪些是不重要的。

當(dāng)剪枝和量化綜合在一起時(shí)可能會遇到新的問題。lnt8的量化是進(jìn)一步的信息壓縮，從浮點(diǎn)到定點(diǎn)再到信息損失；剪枝是去除Channel或layer，也是對信息進(jìn)行壓縮，當(dāng)兩部分結(jié)合時(shí)，有效信息被去除很多，導(dǎo)致精度大幅下降，有可能最后直接崩掉。在實(shí)際做的過程中，剪枝和量化需要迭代分開做，這樣才能保證精度。

總結(jié)

整體上在AI的嵌入式應(yīng)用里需要硬件的選型，軟件框架和優(yōu)化的選擇，模型算法的設(shè)計(jì)，剪枝和量化的綜合來處理完成，還需要考慮不同的AI部署應(yīng)用有不同的模型需求。

以上，感謝澎峰科技創(chuàng)始人張先軼在2021全球機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)大會上的主題分享。

轉(zhuǎn)載自 | 博覽Boolan

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