來自麻省理工的圖像設(shè)計(jì)語言Halide:AI、VR利器

隨著人工智能，VR等領(lǐng)域的發(fā)展，我們對(duì)于高性能圖像處理程序的需求越來越大；當(dāng)前編程工具開發(fā)的高性能圖像處理程序犧牲了程序的可讀性，模塊性，可移植性等；其主要原因是，當(dāng)前程序?qū)?a target="_blank">算法描述， 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及計(jì)算糅雜一起。同時(shí)手工編寫高性能圖像處理程序開發(fā)效率較低，難以快速構(gòu)建大量高性能圖像處理代碼。

在這樣的背景下，MIT的研究人員專門為圖像處理設(shè)計(jì)了一種程序語言——Halide；Halide語言易于編寫和修改，并且能夠自動(dòng)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，使應(yīng)用程序獲得更好的執(zhí)行效率。Halide設(shè)計(jì)的核心思想是將算法的內(nèi)容和算法的執(zhí)行耦，這樣程序員可以根據(jù)不同的設(shè)備設(shè)置不同的優(yōu)化策略，獲得更高質(zhì)量的代碼。

目前halide支持的設(shè)備情況為：

CPU架構(gòu)：X86, ARM, MIPS, Hexagon, PowerPC

操作系統(tǒng)：Linux, Windows, Mac OS X, Android, iOS, Qualcomm QuRT

GPU計(jì)算API：CUDA, OpenCL, OpenGL, OpenGL Compute Shaders,Apple Metal, Microsoft Direct X 12

當(dāng)前知名的自動(dòng)優(yōu)化框架，除了halide還有寒武紀(jì)的TVM，TVM在設(shè)計(jì)上借鑒了halide將算法內(nèi)容和執(zhí)行解耦的思路。本文主要主要內(nèi)容如下：

- LLVM安裝- Halide編譯- Halide程序構(gòu)建

##LLVM安裝

首先下載LLVM源代碼，源代碼下載地址為：

http://releases.llvm.org/download.html#7.0.1

halide要求LLVM的版本為6.0以上，本文使用的是7.0.1版本；

需要下載一下幾部分：

- LLVM source code (.sig)- Clang source code (.sig)- compiler-rt source code (.sig)- libc++ source code (.sig)- libc++abi source code (.sig)- clang-tools-extra (.sig) （可選）

源碼編譯LLVM：- 創(chuàng)建源碼目錄```mkdir LLVMtar xvf llvm-7.0.1.src.tar.xzmv llvm-7.0.1.src.tar.xz llvm-7.0.1cd llvm-7.0.1/tools/tar xvf cfe-7.0.1.src.tar.xz #clang的源代碼包mv cfe-7.0.1.src clangcd ../projects/tar xvf compiler-rt-7.0.1.src.tar.xztar xvf libcxx-7.0.1.src.tar.xztar xvf libcxxabi-7.0.1.src.tar.xzmv libcxx-7.0.1.src libcxxmv libcxxabi-7.0.1.src libcxxabimv compiler-rt-7.0.1.src compiler-rt```以上是目錄構(gòu)建的方法，注意需要自己將下載的源代碼包拷貝到對(duì)應(yīng)的目錄下；可選包c(diǎn)lang-tools-extra-7.0.1.src.tar.xz放到llvm-7.0.1/tools/clang/tools目錄下，解壓，重命名為extra；- build LLVM筆者在LLVM-7.0.1目錄的同一級(jí)，創(chuàng)建LLVM-build目錄；```cd LLVM-buildcmake -DLLVM_ENABLE_TERMINFO=OFF -DLLVM_TARGETS_TO_BUILD="X86;ARM;NVPTX;AArch64;Mips;PowerPC" -DLLVM_ENABLE_ASSERTIONS=ON -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release ../LLVM-7.0.1/

make -j4

make install```其中，-DLLVM_TARGETS_TO_BUILD選項(xiàng)也可以根據(jù)需求設(shè)置，目前LLVM支持的架構(gòu)包含：AArch64AMDGPUARMBPFHexagonLanaiMipsMSP430NVPTXPowerPCSparcSystemZX86XCore

也可以不使用make install，在編譯Halide的時(shí)候使用export：

export LLVM_CONFIG=/build/bin/llvm-configexport CLANG=/build/bin/clang

以上是關(guān)于LLVM的編譯。

## Halide的編譯安裝

下載源碼：git clone https://github.com/halide/Halide.git進(jìn)入Halide目錄，設(shè)置環(huán)境變量：export LLVM_CONFIG=/build/bin/llvm-configexport CLANG=/build/bin/clang編譯方法有很多種，這里采用cmake編譯，方法如下：```mkdir buildcd buildcmake -DLLVM_DIR=/you/path/install/lib/cmake/llvm -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/you/install/path ../make -j4make install

```note:如果編譯失敗，關(guān)注一下cmake命令執(zhí)行的結(jié)果，查看缺少什么包，安裝后重新編譯即可；筆者在編譯的過程中缺少，OpenBLAS，eign3, atlas；其中OpenBLAS采用的源碼安裝，下載源碼：```git clone https://github.com/xianyi/OpenBLAS.gitcd OpenBLASmake -j4make PREFIX=/you/install/path/ install

```如果安裝目錄不是默認(rèn)的/usr/local/，則需要指定環(huán)境變量；其他兩個(gè)庫采用apt-get大法安裝即可；```sudo apt-get install libeigen3-devsudo apt-get install libatlas-dev

```至此完成了Halid的安裝編譯；注意Halide也可以不安裝，只要使用的時(shí)候正確鏈接庫就OK。

## Halide程序構(gòu)建demo如下：```// Halide.h包含了整個(gè)Halide, 只需要include這個(gè)頭文件即可#include "Halide.h"http://c頭文件是為了使用c函數(shù)#include

int main(int argc, char **argv) {

//定義函數(shù)Halide::Func gradient;//定義變量Halide::Var x, y;//定義計(jì)算Halide::Expr e = x + y;

gradient(x, y) = e;//獲取計(jì)算結(jié)果Halide::Buffer output = gradient.realize(800, 600);

//驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果for (int j = 0; j < output.height(); j++) {for (int i = 0; i < output.width(); i++) {if (output(i, j) != i + j) {printf("Something went wrong!\n""Pixel %d, %d was supposed to be %d, but instead it's %d\n",i, j, i+j, output(i, j));return -1;}}}printf("Success!\n");return 0;}

```編譯方法：```g++ halide01.cpp -g -I /you/patn/include -L /you/path/bin -lHalide -lpthread -ldl -o halide01 -std=c++11```編譯完該文件以后，獲取可執(zhí)行文件；執(zhí)行該文件之前需要設(shè)置環(huán)境變量：```export LD_LIBRARY_PATH=/you/path/bin```該目錄包含Halide.so至此Halide的demo構(gòu)建結(jié)束；本文中只構(gòu)建了簡(jiǎn)單的Halide的程序，能夠看到Halide語言中算法描述與計(jì)算解耦的設(shè)計(jì)方式；之后的文章中會(huì)繼續(xù)介紹Halide中關(guān)于優(yōu)化策略等的設(shè)計(jì)，最終驗(yàn)證Halide自動(dòng)優(yōu)化代碼的性能。