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带你从零实现一个高性能的深度学习推理库，支持Unet、Yolov5、Resnet等模型的推理。Implement a high-performance deep learning inference library step by step

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KuiperInfer (自制深度学习推理框架)

带领你亲手打造一个深度学习推理框架。关注我的B站空间，获取最新视频更新。

跟随本项目，从零开始自制深度学习推理框架，你将有以下收获：

  1. 学习一个深度学习框架背后的知识，掌握现代C++项目的写法，调试技巧和工程经验；
  2. 如何设计、编写一个计算图；
  3. 实现常见的算子，卷积算子、池化算子、全连接算子等；
  4. 在3的基础上，学会常见的优化手段加速算子的执行；
  5. 最后你将获得一个属于自己的推理框架，可以推理resnet, unet, yolov5, mobilenet等模型，对面试和知识进阶大有裨益。

视频课程链接：https://space.bilibili.com/1822828582

第二次课程大纲

第二次课程是第一次课程的重置版，内容更加充实和完善，第一次课程大纲见下方章节。

课程节数 进度 课程链接
第一讲 项目预览和环境配置 完成 https://www.bilibili.com/video/BV118411f7yM
第二讲 张量(Tensor)的设计与实现 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1hN411k7q7
第三讲 计算图的定义 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1vc411M7Yp
第四讲 构建计算图关系和执行顺序 完成 https://www.bilibili.com/video/BV19s4y1r7az
第五讲 KuiperInfer中的算⼦和注册⼯⼚ 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1gx4y1o7pj
第六讲 卷积和池化算子的实现 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1hx4y197dS
第七讲 表达式层中词法分析和语法分析以及算子的实现 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1j8411o7ao
第八讲 自制推理框架支持Resnet网络的推理 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1o84y1o7ni
第九讲 自制推理框架支持YoloV5网络的推理 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1Qk4y1A7XL

知乎专栏（更新中）

Demo效果

Unet语义分割

🥰 KuiperInfer当前已支持Unet网络的推理，采用carvana的预训练权重

推理复现可参考文末的 运行 Kuiper 的 demo

Yolov5目标检测

Demo直接使用yolov5-s的预训练权重(coco数据集)，使用KuiperInfer推理

第一次课程大纲

我在b站上开了一门教学课程，目前是课程的前13次课程。课程大纲如下，主页是: https://space.bilibili.com/1822828582 , 欢迎大家关注支持。进学习群的方式如上图的二维码。

课程节数 主要内容 进度 课程链接
第一次课 整体框架解读和开发环境配置 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1HV4y1A7H8/
第二次课 张量Tensor类的解析和输入数据的内存排布 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1Ed4y1v7Gb/
第三次课 从CSV文件中初始化张量Tensor一个实例 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1Pg411J7V5/
第四次课 手写第一个算子Relu并完成算子注册工厂类 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1bG4y1J7sQ/
第五次课 Im2col的原理和卷积算子的实现 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1F841137Ct
第六次课 照猫画虎，完成MaxPooling算子 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1m3411S7yy
第七次课 图结构(PNNX)讲解和计算图初步 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1VW4y1V7vp
第八次课 读取PNNX并构建自己的计算图 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1HY4y1Z7S3
第九次课 卷积算子的实现和im2col加速计算的原理 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1F841137Ct
第十次课 再探Tensor类，构建计算图的图关系以及对算子的输入输出预分配 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1M54y1K7AG
第十一次课 算子的执行流程 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1wY411C7Kv
第十二次课 用我们自制的推理框架完成ResNet网络的推理和图片的分类 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1jD4y1M772
第十三次课 用自制的推理框架支持Yolov5模型的推理 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1xs4y1J7t2

项目贡献

贡献者列表

感谢以下同学对Kuiperinfer的付出

如何参与项目贡献？

  1. 提交代码增加新功能或修改bug；
  2. 提出特别有用的建议；
  3. 完善文档或增加单元测试。

本项目和视频课程的关系

  • 本项目相当于课程的上游或者预研项目

  • 这里的每一个功能都有可能成为视频课程中的知识点，无论是我开发的还是其他同学完善的。

使用的技术和开发环境

  • 开发语言：C++ 17
  • 数学库：Armadillo + OpenBlas(或者更快的Intel MKL)
  • 加速库：OpenMP
  • 单元测试：Google Test
  • 性能测试：Google Benchmark

安装过程(使用Docker)

  1. docker pull registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/hellofss/kuiperinfer:latest
  2. sudo docker run -t -i registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/hellofss/kuiperinfer:latest /bin/bash
  3. cd code
  4. git clone --recursive https://github.com/zjhellofss/KuiperInfer.git
  5. cd KuiperInfer
  6. git checkout -b 你的新分支 study_version_0.02 (如果想抄本项目的代码，请使用这一步切换到study tag)
  7. mkdir build
  8. cd build
  9. cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DDEVELOPMENT=OFF ..
  10. make -j$(nproc)

Tips:

  1. 如果需要对KuiperInfer进行开发，请使用 git clone --recursive https://github.com/zjhellofss/KuiperInfer.git 同时下载子文件夹tmp, 并在cmake文件中设置$DEVELOPMENT或者指定-DDEVELOPMENT=ON
  2. 如果国内网速卡顿，请使用 git clone https://gitee.com/fssssss/KuiperInferGitee.git
  3. 如果想获得更快地运行体验，请在本机重新编译openblas或apt install intel-mkl

安装过程(构建Docker镜像)

  1. docker build -t kuiperinfer:latest .
  2. docker run --name kuiperinfer -it kuiperinfer:latest /bin/bash
  3. cd /app
  4. 余下步骤参考上述安装过程的步骤4-10

安装过程(不使用docker)

  1. git clone --recursive https://github.com/zjhellofss/KuiperInfer.git
  2. git checkout -b 你的新分支 study_version_0.01 (如果想抄本项目的代码，请使用这一步切换到study tag)
  3. 安装必要环境(openblas推荐编译安装，可以获得更快的运行速度，或者使用apt install intel-mkl替代openblas)
 apt install cmake, libopenblas-dev, liblapack-dev, libarpack-dev, libsuperlu-dev
  1. 下载并编译armadillo https://arma.sourceforge.net/download.html
  2. 编译安装glog\google test\google benchmark
  3. 余下步骤和上述一致

Tips:

  1. google benchmark编译过程中，如果遇到关于gtest缺失的报错，可以在google benchmark的cmake中关闭gtest选项

运行 Kuiper 的 demo

运行Unet的推理

请在编译后复制 tmp/unet/demo 文件夹下的 test.png 图片绝对地址或相对地址， 随后在 build/demos 中按下列格式运行推理程序

./unet_test test.png unet_demo.pnnx.param unet_demo.pnnx.bin

其中 pnnx 模型的下载地址：https://cowtransfer.com/s/09c7f337bab443

若推理成功，你将会在文件夹内看到原图的分割后结果 unet_output.jpg .

运行Yolov5的推理

请在demos文件夹下的yolo_test.cpp文件夹中以下代码进行修改

const std::string& image_path = "imgs/car.jpg";
const std::string& param_path = "tmp/yolo/demo/yolov5s_batch8.pnnx.param";
const std::string& bin_path = "tmp/yolo/demo/yolov5s_batch8.pnnx.bin";

  • image_path指定图像目录，param_path为模型的参数文件，bin_path为模型的权重文件，请替换为自己本地的路径。

  • 模型定义和权重下载地址如下： https://cowtransfer.com/s/9bc43e0905cb40

  • 编译完成后，在项目目录调用 ./build/demos/yolo_test

已经支持的算子

总体理念：逐步优化已经有的算子；有需要的时候再对未实现的算子进行开发

  • Convolution
  • AdaptivePooling
  • MaxPooling
  • Expression(抽象语法树)
  • Flatten, View(维度展平和变形)
  • Sigmoid
  • HardSigmoid
  • HardSwish
  • ReLU
  • Linear(矩阵相乘)
  • Softmax
  • BatchNorm
  • Upsample
  • SiLU
  • Concat
  • ConvTranspose

目录

source是源码目录

  1. data/ 是张量类Tensor的实现和Tensor初始化方法
  2. layer/ 是算子的实现
  3. parser/ 是Pnnx表达式的解析类
  4. runtime/ 是计算图结构，解析和运行时相关

test是单元测试目录，基本做到public方法单元测试权覆盖

bench是google benchmark, 包含对MobilenetV3, Resnet18和yolov5s的性能测试。

性能测试

测试设备

15 核心的AMD EPYC 7543(霄龙) 32-Core Processor (Docker 容器，宿主机共有32核心)

编译环境

gcc (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0

性能结果

耗时通过连续五次运行,并以求平均的方式计算

input size 模型名称 计算设备 耗时
224×224 batch = 8 MobileNetV3Small CPU(armadillo + openblas) 6.76ms / image
224×224 batch = 8 ResNet18 CPU(armadillo + openblas) 23.53ms / image
224×224 batch =16 ResNet18 CPU(armadillo + openblas) 13.52ms / image
640×640 batch = 8 Yolov5nano CPU(armadillo + openblas) 78.37ms / image
640×640 batch = 8 Yolov5s CPU(armadillo + openblas) 177.54ms / image
640×640 batch = 16 Yolov5s CPU(armadillo + openblas) 134.57ms / image

致谢

推理框架NCNN，已经在借鉴的代码中保留了NCNN的BSD协议 https://github.com/Tencent/ncnn

优秀的数学库Openblas: https://github.com/xianyi/OpenBLAS

优秀的数学库Armadillo: https://arma.sourceforge.net/docs.html

给予我灵感的Caffe框架: https://github.com/BVLC/caffe

fmath框架：https://github.com/herumi/fmath/

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