YOLOV5 C++部署的人员检测项目【学习笔记（十一）】

全息数据2023-11-22 22:50

本文为修改后的转载，没有转载链接，所以文章类型暂为原创

文章目录

    • [一、安装Pytorch 及 YOLO v5](#一、安装Pytorch 及 YOLO v5)
      • [1.1 安装GPU版 pytorch](#1.1 安装GPU版 pytorch)
      • [1.2 安装YOLO v5所需依赖](#1.2 安装YOLO v5所需依赖)
    • [二、YOLO v5训练自定义数据](#二、YOLO v5训练自定义数据)
      • [2.1 标注数据](#2.1 标注数据)
        • [2.1.1 安装labelImg](#2.1.1 安装labelImg)
        • [2.1.2 标注](#2.1.2 标注)
      • [2.2 准备数据集](#2.2 准备数据集)
        • [2.2.1 组织目录结构](#2.2.1 组织目录结构)
        • [2.2.2 创建 dataset.yaml](#2.2.2 创建 dataset.yaml)
      • [2.3 选择合适的预训练模型](#2.3 选择合适的预训练模型)
      • [2.4 训练](#2.4 训练)
      • [2.5 可视化](#2.5 可视化)
        • [2.5.1 wandb](#2.5.1 wandb)
        • [2.5.2 Tensorboard](#2.5.2 Tensorboard)
      • [2.6 测试评估模型](#2.6 测试评估模型)
        • [2.6.1 测试](#2.6.1 测试)
        • [2.6.2 评估](#2.6.2 评估)
    • 三、yolov5模型导出ONNX
      • [3.1 工作机制](#3.1 工作机制)
      • [3.2 修改yolov5 代码，输出ONNX](#3.2 修改yolov5 代码，输出ONNX)
      • [3.3 具体修改细节](#3.3 具体修改细节)
    • 四、TensorRT部署
      • [4.1 模型构建](#4.1 模型构建)
      • [4.2 模型的推理](#4.2 模型的推理)
      • [4.3 INT8、FP16量化对比](#4.3 INT8、FP16量化对比)
        • [4.3.1 简介](#4.3.1 简介)
        • [4.3.2 TensorRT中实现](#4.3.2 TensorRT中实现)
      • [4.4 预处理和后处理](#4.4 预处理和后处理)
        • [4.4.1 预处理（Preprocess）](#4.4.1 预处理（Preprocess）)
          • [4.4.1.1 使用CPU做letterbox、归一化、BGR2RGB、NHWC to NCHW](#4.4.1.1 使用CPU做letterbox、归一化、BGR2RGB、NHWC to NCHW)
          • [4.4.1.2 使用CPU做letterbox，GPU做归一化、BGR2RGB、NHWC to NCHW](#4.4.1.2 使用CPU做letterbox，GPU做归一化、BGR2RGB、NHWC to NCHW)
          • [4.4.1.3 使用GPU预处理所有步骤](#4.4.1.3 使用GPU预处理所有步骤)
        • [4.4.2 后处理（Postprocess）](#4.4.2 后处理（Postprocess）)
      • 4.5人员闯入、聚众的应用开发
        • [4.5.1 RTMP推流](#4.5.1 RTMP推流)
        • [4.5.2 人员闯入应用开发](#4.5.2 人员闯入应用开发)
        • [4.5.3 人员聚众应用开发](#4.5.3 人员聚众应用开发)
        • [4.5.4 多线程流水线](#4.5.4 多线程流水线)
      • [4.6 jetson nano 和 jetson xavier NX部署](#4.6 jetson nano 和 jetson xavier NX部署)
        • [4.6.1 jetson nx](#4.6.1 jetson nx)
        • [4.6.2 jetson nano](#4.6.2 jetson nano)
    • 五、附录：
      • [5.1 CUDA quickstart](#5.1 CUDA quickstart)
        • [5.1.1 简介](#5.1.1 简介)
        • [5.1.2 线程块 block、线程thread](#5.1.2 线程块 block、线程thread)
        • [5.1.3 kernel 函数](#5.1.3 kernel 函数)
        • [5.1.4 代码解释](#5.1.4 代码解释)
      • [5.2 TensorRT plugin](#5.2 TensorRT plugin)
        • [5.2.1 Yolov5 decode流程](#5.2.1 Yolov5 decode流程)
        • [5.2.2 plugin基本流程介绍](#5.2.2 plugin基本流程介绍)
        • [5.2.3 Plugin中需要实现的方法介绍](#5.2.3 Plugin中需要实现的方法介绍)
      • [5.3 多线程pipeline Demo](#5.3 多线程pipeline Demo)

一、安装Pytorch 及 YOLO v5

1.1 安装GPU版 pytorch

  • 方法一：conda虚拟环境

    首先，请参考上一节课将GPU driver, cuda, cudnn先安装完毕。

bash 复制代码 
# 使用conda虚拟环境（安装文档：https://docs.conda.io/en/latest/miniconda.html）

# 创建conda虚拟环境，参考你选择的版本安装即可

# 最新版：https://pytorch.org/get-started/locally/
# 历史版本：https://pytorch.org/get-started/previous-versions/

  • 方法二：docker 方式（推荐）

    使用docker主要是因为与主机性能区别不大，且配置简单，只需要安装GPU驱动，不用考虑安装Pytorch指定的CUDA,cuDNN等（容器内部已有）；

    注意：如果你已经在虚拟机、云GPU、Jetson等平台，则没有必要使用docker。

shell 复制代码 
# 安装docker

sudo apt-get remove docker docker-engine docker.io containerd runc

sudo apt-get update
sudo apt-get install \
    ca-certificates \
    curl \
    gnupg \
    lsb-release

sudo mkdir -m 0755 -p /etc/apt/keyrings
curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo gpg --dearmor -o /etc/apt/keyrings/docker.gpg

echo \
  "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/etc/apt/keyrings/docker.gpg] https://download.docker.com/linux/ubuntu \
  $(lsb_release -cs) stable" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list > /dev/null

sudo apt-get update
sudo apt-get install docker-ce docker-ce-cli containerd.io docker-buildx-plugin docker-compose-plugin

sudo apt-get install nvidia-container2

sudo systemctl restart docker

具体安装细节可以参考docker文档：https://docs.docker.com/engine/install/ubuntu/。 然后安装nvidia-container-toolkit, 依次运行以下命令

shell 复制代码 
distribution=$(. /etc/os-release;echo $ID$VERSION_ID) \
      && curl -fsSL https://nvidia.github.io/libnvidia-container/gpgkey | sudo gpg --dearmor -o /usr/share/keyrings/nvidia-container-toolkit-keyring.gpg \
      && curl -s -L https://nvidia.github.io/libnvidia-container/$distribution/libnvidia-container.list | \
            sed 's#deb https://#deb [signed-by=/usr/share/keyrings/nvidia-container-toolkit-keyring.gpg] https://#g' | \
            sudo tee /etc/apt/sources.list.d/nvidia-container-toolkit.list

sudo apt-get update
sudo apt-get install -y nvidia-container-toolkit

安装完成后，拉取pytorch镜像以进行测试（这里我们使用pytorch版本为1.12.0a0+2c916ef）：

shell 复制代码 
# $(pwd):/app 表示把当前host工作路径挂载到容器的/app目录下
# --name env_pyt_1.12 表示容器的名称是env_pyt_1
docker run --gpus all -it --name env_pyt_1.12 -v $(pwd):/app nvcr.io/nvidia/pytorch:22.03-py3 

# 容器内部检查pytorch可用性
$ python
>>> import torch
>>> torch.__version__
>>> print(torch.cuda.is_available())
True

经过漫长的拉取后，我们便可以进入docker的命令行中进行操作。

在nvidia的NGC container地址中https://catalog.ngc.nvidia.com/containers，我们可以找到很多好用的nvidia container。

Vs code 提供的插件可以让我们访问容器内部：ms-vscode-remote.remote-containers

1.2 安装YOLO v5所需依赖

  • 安装
shell 复制代码 
# 克隆地址
git clone https://github.com/ultralytics/yolov5.git
# 进入目录
cd yolov5	
# 选择分支，这里使用了特定版本的yolov5，主要是避免出现兼容问题
git checkout a80dd66efe0bc7fe3772f259260d5b7278aab42f

# 安装依赖（如果是docker环境，要进入容器环境后再安装）
pip3 install -r requirements.txt
  • 下载预训练权重文件

下载地址：https://github.com/ultralytics/yolov5，附件位置：`3.预训练模型/`，将权重文件放到`weights`目录下：

  • 测试是否安装成功
shell 复制代码 
python detect.py --source ./data/images/ --weights weights/yolov5s.pt --conf-thres 0.4

docker容器内部可能报错：AttributeError: partially initialized module 'cv2' has no attribute '_registerMatType' (most likely due to a circular import)，使用pip3 install "opencv-python-headless<4.3"

如果一切配置成功，则可以看到以下检测结果

二、YOLO v5训练自定义数据

2.1 标注数据

2.1.1 安装labelImg

需要在有界面的主机上安装，远程ssh无法使用窗口

shell 复制代码 
# 建议使用conda虚拟环境
# 安装
pip install labelImg
# 启动
labelImg
2.1.2 标注

按照视频示例教程进行标注，保存路径下会生成txt YOLO格式标注文件。

  • 一张图片对应一个txt标注文件（如果图中无所要物体，则无需txt文件）；
  • txt每行一个物体（一张图中可以有多个标注）；
  • 每行数据格式：类别id、x_center y_center width height；
  • xywh 必须归一化（0-1），其中x_center、width除以图片宽度，y_center、height除以画面高度；
  • 类别id必须从0开始计数。

2.2 准备数据集

2.2.1 组织目录结构
bash 复制代码 
. 工作路径
├── datasets
│   └── person_data
│       ├── images
│       │   ├── train
│       │   │   └── demo_001.jpg
│       │   └── val
│       │       └── demo_002.jpg
│       └── labels
│           ├── train
│           │   └── demo_001.txt
│           └── val
│               └── demo_002.txt
└── yolov5

要点：

  • datasets与yolov5同级目录；
  • 图片 datasets/person_data/images/train/{文件名}.jpg对应的标注文件在 datasets/person_data/labels/train/{文件名}.txt，YOLO会根据这个映射关系自动寻找（images换成labels）；
  • 训练集和验证集
    • images文件夹下有train和val文件夹，分别放置训练集和验证集图片;
    • labels文件夹有train和val文件夹，分别放置训练集和验证集标签(yolo格式）;
2.2.2 创建 dataset.yaml

复制yolov5/data/coco128.yaml一份，比如为coco_person.yaml

yaml 复制代码 
# Train/val/test sets as 1) dir: path/to/imgs, 2) file: path/to/imgs.txt, or 3) list: [path/to/imgs1, path/to/imgs2, ..]
path: ../datasets/person_data  # 数据所在目录
train: images/train  # 训练集图片所在位置（相对于path）
val:  images/val # 验证集图片所在位置（相对于path）
test:  # 测试集图片所在位置（相对于path）（可选）

# 类别
nc: 5  # 类别数量
names: ['pedestrians','riders','partially-visible-person','ignore-regions','crowd'] # 类别标签名

2.3 选择合适的预训练模型

官方权重下载地址：https://github.com/ultralytics/yolov5

根据你的设备，选择合适的预训练模型，具体模型比对如下：

复制models下对应模型的yaml文件，重命名，比如课程另存为yolov5s_person.yaml，并修改其中：

shell 复制代码 
# nc: 80  # 类别数量
nc: 5  # number of classes

2.4 训练

下载对应的预训练模型权重文件，可以放到weights目录下，设置本机最好性能的各个参数，即可开始训练，课程中训练了以下参数：

shell 复制代码 
# yolov5s 
python ./train.py --data ./data/coco_person.yaml --cfg ./models/yolov5s_person.yaml --weights ./weights/yolov5s.pt --batch-size 32 --epochs 120 --workers 0 --name s_120 --project yolo_person_s

更多参数见train.py；

训练结果在yolo_person_s/中可见，一般训练时间在几个小时以上。

2.5 可视化

2.5.1 wandb

YOLO官网推荐使用https://wandb.ai/。

  • 去官网注册账号；
  • 获取key秘钥，地址：https://wandb.ai/authorize
  • 使用pip install wandb安装包；
  • 使用wandb login粘贴秘钥后登录；
  • 打开网站即可查看训练进展。
2.5.2 Tensorboard

tensorboard --logdir=./yolo_person_s

2.6 测试评估模型

2.6.1 测试

测试媒体位置：4.老师训练结果/

shell 复制代码 
# 如                                                             
python detect.py --source ./000057.jpg --weights ./yolo_person_s/s_120/weights/best.pt --conf-thres 0.3
# 或
python detect.py --source ./c3.mp4 --weights ./yolo_person_s/s_120/weights/best.pt --conf-thres 0.3

检测前后结果：


2.6.2 评估
shell 复制代码 
# s 模型

# python val.py --data  ./data/coco_person.yaml  --weights ./yolo_person_s/s_120/weights/best.pt --batch-size 12
# 15.8 GFLOPs
                   Class     Images     Labels          P          R     mAP@.5 mAP@.5:.95: 
                     all       1000      28027      0.451      0.372      0.375      0.209
             pedestrians       1000      17600      0.738      0.854      0.879      0.608
                  riders       1000        185      0.546      0.492      0.522      0.256
 artially-visible-person       1000       9198      0.461      0.334      0.336      0.125
          ignore-regions       1000        391       0.36      0.132      0.116     0.0463
                   crowd       1000        653      0.152     0.0468     0.0244    0.00841

三、yolov5模型导出ONNX

3.1 工作机制

在本项目中，我们将使用tensort decode plugin来代替原来yolov5代码中的decode操作，如果不替换，这部分运算将影响整体性能。

为了让tensorrt能够识别并加载我们额外添加的plugin operator，我们需要修改Yolov5代码中导出onnx模型的部分。

onnx是一种开放的模型格式，可以用来表示深度学习模型，它是由微软开发的，目前已经成为了深度学习模型的标准格式。可以简单理解为各种框架模型转换的一种桥梁。

流程如图所示：

3.2 修改yolov5 代码，输出ONNX

修改之前，建议先使用python export.py --weights weights/yolov5s.pt --include onnx --simplify --dynamic导出一份原始操作的onnx模型，以便和修改后的模型进行对比。

使用课程附件提供的git patch批量修改代码，代码位置：1.代码/export.patch

shell 复制代码 
# 将patch复制到yolov5文件夹
cp export.patch yolov5/
# 进入yolov5文件夹
cd yolov5/
# 应用patch
git am export.patch

在理解代码逻辑后，也可以根据自己的需要在最新版本上的yolov5上进行修改。

首先根据上文自行根据yolov5的要求安装相关依赖，然后再执行下面命令安装导出onnx需要的依赖：

bash 复制代码 
pip install seaborn
pip install onnx-graphsurgeon
pip install onnx-simplifier==0.3.10

apt update
apt install -y libgl1-mesa-glx

安装完成后，准备好训练好的模型文件，这里默认为yolov5s.pt，然后执行：

shell 复制代码 
python export.py --weights weights/yolov5s.pt --include onnx --simplify --dynamic

以生成对应的onnx文件。

3.3 具体修改细节

在models/yolo.py文件中54行，我们需要修改class Detect的forward方法，以删除其box decode运算，以直接输出网络结果。在后面的tensorrt部署中，我们将利用decode plugin来进行decode操作，并用gpu加速。修改内容如下：

python 复制代码 
-            bs, _, ny, nx = x[i].shape  # x(bs,255,20,20) to x(bs,3,20,20,85)
-            x[i] = x[i].view(bs, self.na, self.no, ny, nx).permute(0, 1, 3, 4, 2).contiguous()
-
-            if not self.training:  # inference
-                if self.onnx_dynamic or self.grid[i].shape[2:4] != x[i].shape[2:4]:
-                    self.grid[i], self.anchor_grid[i] = self._make_grid(nx, ny, i)
-
-                y = x[i].sigmoid()
-                if self.inplace:
-                    y[..., 0:2] = (y[..., 0:2] * 2 + self.grid[i]) * self.stride[i]  # xy
-                    y[..., 2:4] = (y[..., 2:4] * 2) ** 2 * self.anchor_grid[i]  # wh
-                else:  # for YOLOv5 on AWS Inferentia https://github.com/ultralytics/yolov5/pull/2953
-                    xy, wh, conf = y.split((2, 2, self.nc + 1), 4)  # y.tensor_split((2, 4, 5), 4)  # torch 1.8.0
-                    xy = (xy * 2 + self.grid[i]) * self.stride[i]  # xy
-                    wh = (wh * 2) ** 2 * self.anchor_grid[i]  # wh
-                    y = torch.cat((xy, wh, conf), 4)
-                z.append(y.view(bs, -1, self.no))
-
-        return x if self.training else (torch.cat(z, 1),) if self.export else (torch.cat(z, 1), x)
+            y = x[i].sigmoid()
+            z.append(y)
+        return z

可以看到这里删除了主要的运算部分，将模型输出直接作为list返回。修改后，onnx的输出将被修改为三个原始网络输出，我们需要在输出后添加decode plugin的算子。首先我们先导出onnx，再利用nvidia的graph surgeon来修改onnx。首先我们修改onnx export部分代码：

GraphSurgeon 是nvidia提供的工具，可以方便的用于修改、添加或者删除onnx网络图中的节点，并生成新的onnx。参考链接：https://github.com/NVIDIA/TensorRT/tree/master/tools/onnx-graphsurgeon。

python 复制代码 
    torch.onnx.export(
        model,
        im,
        f,
        verbose=False,
        opset_version=opset,
        training=torch.onnx.TrainingMode.TRAINING if train else torch.onnx.TrainingMode.EVAL,
        do_constant_folding=not train,
        input_names=['images'],
        output_names=['p3', 'p4', 'p5'],
        dynamic_axes={
            'images': {
                0: 'batch',
                2: 'height',
                3: 'width'},  # shape(1,3,640,640)
            'p3': {
                0: 'batch',
                2: 'height',
                3: 'width'},  # shape(1,25200,4)
            'p4': {
                0: 'batch',
                2: 'height',
                3: 'width'},
            'p5': {
                0: 'batch',
                2: 'height',
                3: 'width'}
        } if dynamic else None)

将onnx的输出改为3个原始网络输出。输出完成后，我们再加载onnx，并simplify：

python 复制代码 
model_onnx = onnx.load(f)
model_onnx = onnx.load(f)  # load onnx model
onnx.checker.check_model(model_onnx)  # check onnx model

# Simplify
if simplify:
    # try:
    check_requirements(('onnx-simplifier',))
    import onnxsim

    LOGGER.info(f'{prefix} simplifying with onnx-simplifier {onnxsim.__version__}...')
    model_onnx, check = onnxsim.simplify(model_onnx,
        dynamic_input_shape=dynamic,
        input_shapes={'images': list(im.shape)} if dynamic else None)
    assert check, 'assert check failed'
    onnx.save(model_onnx, f)

然后我们再将onnx加载回来，用nvidia surgeon进行修改:

python 复制代码 
import onnx_graphsurgeon as onnx_gs
import numpy as np
yolo_graph = onnx_gs.import_onnx(model_onnx)

首先我们获取原始的onnx输出p3,p4,p5：

python 复制代码 
p3 = yolo_graph.outputs[0]
p4 = yolo_graph.outputs[1]
p5 = yolo_graph.outputs[2]

然后我们定义新的onnx输出，由于decode plugin中，有4个输出，所以我们将定义4个新的输出。其名字需要和下面的代码保持一致，这是decode_plugin中预先定义好的。

python 复制代码 
decode_out_0 = onnx_gs.Variable(
  "DecodeNumDetection",
  dtype=np.int32
)
decode_out_1 = onnx_gs.Variable(
  "DecodeDetectionBoxes",
  dtype=np.float32
)
decode_out_2 = onnx_gs.Variable(
  "DecodeDetectionScores",
  dtype=np.float32
)
decode_out_3 = onnx_gs.Variable(
  "DecodeDetectionClasses",
  dtype=np.int32
)

然后我们需要再添加一些decode参数，定义如下：

python 复制代码 
decode_attrs = dict()

decode_attrs["max_stride"] = int(max(model.stride))
decode_attrs["num_classes"] = model.model[-1].nc
decode_attrs["anchors"] = [float(v) for v in [10,13, 16,30, 33,23, 30,61, 62,45, 59,119, 116,90, 156,198, 373,326]]
decode_attrs["prenms_score_threshold"] = 0.25

在定义好了相关参数后，我们创建一个onnx node，用作decode plugin。由于我们的tensorrt plugin的名称为YoloLayer_TRT,因此这里我们需要保持op的名字与我们的plugin名称一致。通过如下代码，我们创建了一个node：

python 复制代码 
    decode_plugin = onnx_gs.Node(
        op="YoloLayer_TRT",
        name="YoloLayer",
        inputs=[p3, p4, p5],
        outputs=[decode_out_0, decode_out_1, decode_out_2, decode_out_3],
        attrs=decode_attrs
    )

然后我们将这个node添加了网络中：

python 复制代码 
    yolo_graph.nodes.append(decode_plugin)
    yolo_graph.outputs = decode_plugin.outputs
    yolo_graph.cleanup().toposort()
    model_onnx = onnx_gs.export_onnx(yolo_graph)

最后添加一些meta信息后，我们导出最终的onnx文件，这个文件可以用于后续的tensorrt部署和推理。

python 复制代码 
    d = {'stride': int(max(model.stride)), 'names': model.names}
    for k, v in d.items():
        meta = model_onnx.metadata_props.add()
        meta.key, meta.value = k, str(v)

    onnx.save(model_onnx, f)
    LOGGER.info(f'{prefix} export success, saved as {f} ({file_size(f):.1f} MB)')
    return f

四、TensorRT部署

使用TensorRT docker容器：

shell 复制代码 
docker run --gpus all -it --name env_trt -v $(pwd):/app nvcr.io/nvidia/tensorrt:22.08-py3

4.1 模型构建

代码位置：1.代码/tensorrt_cpp/build.cu

和我们之前课程中的TensorRT构建流程一样，yolov5转到onnx后，也是通过相同的流程进行模型构建，并保存序列化后的模型为文件。

  1. 创建builder 。这里我们使用了std::unique_ptr只能指针包装我们的builder，实现自动管理指针生命周期。
cpp 复制代码 
// =========== 1. 创建builder ===========
auto builder = std::unique_ptr<nvinfer1::IBuilder>(nvinfer1::createInferBuilder(sample::gLogger.getTRTLogger()));
if (!builder)
{
  std::cerr << "Failed to create builder" << std::endl;
  return -1;
}
  1. **创建网络。**这里指定了explicitBatch
cpp 复制代码 
// ========== 2. 创建network：builder--->network ==========
// 显性batch
const auto explicitBatch = 1U << static_cast<uint32_t>(nvinfer1::NetworkDefinitionCreationFlag::kEXPLICIT_BATCH);
// 调用builder的createNetworkV2方法创建network
auto network = std::unique_ptr<nvinfer1::INetworkDefinition>(builder->createNetworkV2(explicitBatch));
if (!network)
{
  std::cout << "Failed to create network" << std::endl;
  return -1;
}
  1. **创建config。**用于模型构建的参数配置
cpp 复制代码 
// ========== 3. 创建config配置：builder--->config ==========
auto config = std::unique_ptr<nvinfer1::IBuilderConfig>(builder->createBuilderConfig());
if (!config)
{
  std::cout << "Failed to create config" << std::endl;
  return -1;
}
  1. **创建onnx 解析器，**并进行解析
cpp 复制代码 
// 创建onnxparser，用于解析onnx文件
auto parser = std::unique_ptr<nvonnxparser::IParser>(nvonnxparser::createParser(*network, sample::gLogger.getTRTLogger()));
// 调用onnxparser的parseFromFile方法解析onnx文件
auto parsed = parser->parseFromFile(onnx_file_path, static_cast<int>(sample::gLogger.getReportableSeverity()));
if (!parsed)
{
  std::cout << "Failed to parse onnx file" << std::endl;
  return -1;
}
  1. **配置网络构建参数。**这里由于我们导出onnx时并没有指定输入图像的batch，height，width。因此在构建时，我们需要告诉tensorrt我们最终运行时，输入图像的范围，batch size的范围。这样tensorrt才能对应为我们进行模型构建与优化。这里我们将输入指定到了1,3,640,640，这样tensorrt就会为这个尺寸的输入搜索最优算子并构建网络。其中设置pofile参数，即是我们用来指定输入大小搜索范围的。
cpp 复制代码 
auto input = network->getInput(0);
auto profile = builder->createOptimizationProfile();
profile->setDimensions(input->getName(), nvinfer1::OptProfileSelector::kMIN, nvinfer1::Dims4{1, 3, 640, 640});
profile->setDimensions(input->getName(), nvinfer1::OptProfileSelector::kOPT, nvinfer1::Dims4{1, 3, 640, 640});
profile->setDimensions(input->getName(), nvinfer1::OptProfileSelector::kMAX, nvinfer1::Dims4{1, 3, 640, 640});
// 使用addOptimizationProfile方法添加profile，用于设置输入的动态尺寸
config->addOptimizationProfile(profile);

// 设置精度，不设置是FP32，设置为FP16，设置为INT8需要额外设置calibrator
config->setFlag(nvinfer1::BuilderFlag::kFP16);

builder->setMaxBatchSize(1);

// 设置最大工作空间（最新版本的TensorRT已经废弃了setWorkspaceSize）
config->setMemoryPoolLimit(nvinfer1::MemoryPoolType::kWORKSPACE, 1 << 30);

// 7. 创建流，用于设置profile
auto profileStream = samplesCommon::makeCudaStream();
if (!profileStream) { return -1; }
config->setProfileStream(*profileStream);
  1. 将模型序列化，并进行保存
cpp 复制代码 
// ========== 4. 创建engine：builder--->engine(*nework, *config) ==========
// 使用buildSerializedNetwork方法创建engine，可直接返回序列化的engine（原来的buildEngineWithConfig方法已经废弃，需要先创建engine，再序列化）
auto plan = std::unique_ptr<nvinfer1::IHostMemory>(builder->buildSerializedNetwork(*network, *config));
if (!plan)
{
  std::cout << "Failed to create engine" << std::endl;
  return -1;
}
// ========== 5. 序列化保存engine ==========
std::ofstream engine_file("./model/yolov5.engine", std::ios::binary);
assert(engine_file.is_open() && "Failed to open engine file");
engine_file.write((char *)plan->data(), plan->size());
engine_file.close();

4.2 模型的推理

代码位置：1.代码/tensorrt_cpp/build.cu

如同之前的TensorRT课程介绍一样，推理过程将读取模型文件，并对输入进行预处理，然后读取模型输出后，再进行后处理。

  1. 创建运行时
cpp 复制代码 
// ========= 1. 创建推理运行时runtime =========
auto runtime = std::unique_ptr<nvinfer1::IRuntime>(nvinfer1::createInferRuntime(sample::gLogger.getTRTLogger()));
if (!runtime)
{
  std::cout << "runtime create failed" << std::endl;
  return -1;
}
  1. 反序列化 模型得到推理Engine
cpp 复制代码 
// ======== 2. 反序列化生成engine =========
// 加载模型文件
auto plan = load_engine_file(engine_file);
// 反序列化生成engine
auto mEngine = std::shared_ptr<nvinfer1::ICudaEngine>(runtime->deserializeCudaEngine(plan.data(), plan.size()));
  1. 创建执行上下文
cpp 复制代码 
// ======== 3. 创建执行上下文context =========
auto context = std::unique_ptr<nvinfer1::IExecutionContext>(mEngine->createExecutionContext());
  1. 创建输入输出缓冲区管理器，这里我们使用的是tensorrt sample code中的buffer管理器，以方便我们进行内存的分配和cpu gpu之间的内存拷贝。
cpp 复制代码 
samplesCommon::BufferManager buffers(mEngine);
  1. 我们读取视频文件，并逐帧读取图像，送入模型中，进行推理
cpp 复制代码 
auto cap = cv::VideoCapture(input_video_path);

while(cap.isOpened()) {
  cv::Mat frame;
  cap >> frame;
  if (frame.empty()) break;
  ...
  1. 首先对输入图像进行预处理，这里我们使用preprocess.cu中的代码，其中实现了对输入图像处理的gpu 加速（后续再进行讲解）。
cpp 复制代码 
// 输入预处理
process_input(frame, (float *)buffers.getDeviceBuffer(kInputTensorName));
  1. 预处理完成后，我们调用推理api executeV2，进行模型推理，并将模型输出拷贝到cpu
cpp 复制代码 
context->executeV2(buffers.getDeviceBindings().data());
buffers.copyOutputToHost();
  1. 最后我们从buffer manager中获取模型输出，并执行nms，得到最后的检测框
cpp 复制代码 
// 获取模型输出
int32_t *num_det = (int32_t *)buffers.getHostBuffer(kOutNumDet); // 检测到的目标个数
int32_t *cls = (int32_t *)buffers.getHostBuffer(kOutDetCls);     // 检测到的目标类别
float *conf = (float *)buffers.getHostBuffer(kOutDetScores);     // 检测到的目标置信度
float *bbox = (float *)buffers.getHostBuffer(kOutDetBBoxes);     // 检测到的目标框
// 后处理
std::vector<Detection> bboxs;
yolo_nms(bboxs, num_det, cls, conf, bbox, kConfThresh, kNmsThresh);
  1. 我们依次将检测框画到图像上，再打印对应的fps和推理时间。并显示图像
cpp 复制代码 
// 结束时间
auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
auto elapsed = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count();
auto time_str = std::to_string(elapsed) + "ms";
auto fps_str = std::to_string(1000 / elapsed) + "fps";

// 遍历检测结果
for (size_t j = 0; j < bboxs.size(); j++)
{
  cv::Rect r = get_rect(frame, bboxs[j].bbox);
  cv::rectangle(frame, r, cv::Scalar(0x27, 0xC1, 0x36), 2);
  cv::putText(frame, std::to_string((int)bboxs[j].class_id), cv::Point(r.x, r.y - 10), cv::FONT_HERSHEY_PLAIN, 1.2, cv::Scalar(0x27, 0xC1, 0x36), 2);
}
cv::putText(frame, time_str, cv::Point(50, 50), cv::FONT_HERSHEY_PLAIN, 1.2, cv::Scalar(0xFF, 0xFF, 0xFF), 2);
cv::putText(frame, fps_str, cv::Point(50, 100), cv::FONT_HERSHEY_PLAIN, 1.2, cv::Scalar(0xFF, 0xFF, 0xFF), 2);

cv::imshow("frame", frame);

4.3 INT8、FP16量化对比

首先需要确保你的GPU支持INT8计算（如jetson nano不支持INT8）

4.3.1 简介

深度学习量化就是将深度学习模型中的参数（例如权重和偏置）从浮点数转换成整数或者定点数的过程。这样做可以减少模型的存储和计算成本，从而达到模型压缩和运算加速的目的。如int8量化，让原来模型中32bit存储的数字映射到8bit再计算（范围是[-128,127]）。

  • 加快推理速度：访问一次32位浮点型可以访问4次int8整型数据；
  • 减少存储空间和内存占用：在边缘设备（如嵌入式）上部署更实用。

当然，提升速度的同时，量化也会带来精度的损失，为了能尽可能减少量化过程中精度的损失，需要使用各种校准方法来降低信息的损失。TensorRT 中支持两种 INT8 校准算法：

  • 熵校准 (Entropy Calibration)
  • 最小最大值校准 (Min-Max Calibration)

  • 熵校准是一种动态校准算法，它使用 KL 散度 (KL Divergence) 来度量推理数据和校准数据之间的分布差异。在熵校准中，校准数据是从实时推理数据中采集的，它将 INT8 精度量化参数看作概率分布，根据推理数据和校准数据的 KL 散度来更新量化参数。这种方法的优点是可以更好地反映实际推理数据的分布。

  • 最小最大值校准使用最小最大值算法来计算量化参数。在最小最大值校准中，需要使用一组代表性的校准数据来生成量化参数，首先将推理中的数据进行统计，计算数据的最小值和最大值，然后根据这些值来计算量化参数。

这两种校准方法都需要准备一些数据用于在校准时执行推理，以统计数据的分布情况。一般数据需要有代表性，即需要符合最终实际落地场景的数据，实际应用中一般准备500-1000个数据用于量化。

4.3.2 TensorRT中实现

在 TensorRT 中，可以通过实现 IInt8EntropyCalibrator2 接口或 IInt8MinMaxCalibrator 接口来执行熵校准或最小最大值校准，并且需要实现几个虚函数方法：

  • getBatch() 方法：用于提供一批校准数据；
  • readCalibrationCache() 和 writeCalibrationCache() 方法：实现缓存机制，以避免在每次启动时重新加载校准数据。

课程附件中build.cu代码实现了 IInt8MinMaxCalibrator 接口，用于对 INT8 模型进行离线静态校准（你可以替换IInt8EntropyCalibrator2换成熵校准进行结果对比）。

C++ 复制代码 
// 定义校准数据读取器
// 如果要用entropy的话改为：IInt8EntropyCalibrator2
class CalibrationDataReader : public IInt8MinMaxCalibrator
{
  ....
}
  • 在构造函数中，需要传递数据目录、数据列表和BatchSize等参数。数据目录是指包含校准数据的文件夹路径，数据列表是指校准数据文件的名称列表。构造函数还会初始化输入张量的维度和大小，以及在设备上分配内存。
cpp 复制代码 
CalibrationDataReader(const std::string &dataDir, const std::string &list, int batchSize = 1)
        : mDataDir(dataDir), mCacheFileName("weights/calibration.cache"), mBatchSize(batchSize), mImgSize(kInputH * kInputW)
    {
        mInputDims = {1, 3, kInputH, kInputW}; // 设置网络输入尺寸
        mInputCount = mBatchSize * samplesCommon::volume(mInputDims);
        cuda_preprocess_init(mImgSize);
        cudaMalloc(&mDeviceBatchData, kInputH * kInputW * 3 * sizeof(float));
        // 加载校准数据集文件列表
        std::ifstream infile(list);
        std::string line;
        while (std::getline(infile, line))
        {
            sample::gLogInfo << line << std::endl;
            mFileNames.push_back(line);
        }
        mBatchCount = mFileNames.size() / mBatchSize;
        std::cout << "CalibrationDataReader: " << mFileNames.size() << " images, " << mBatchCount << " batches." << std::endl;
    }
  • getBatch() 方法用于提供一批校准数据。在该方法中，需要将当前批次的校准数据读取到内存中，并将其复制到设备内存中。然后，将数据指针传递给 TensorRT 引擎，以供后续的校准计算使用。
cpp 复制代码 
bool getBatch(void *bindings[], const char *names[], int nbBindings) noexcept override
    {
        if (mCurBatch + 1 > mBatchCount)
        {
            return false;
        }

        int offset = kInputW * kInputH * 3 * sizeof(float);
        for (int i = 0; i < mBatchSize; i++)
        {
            int idx = mCurBatch * mBatchSize + i;
            std::string fileName = mDataDir + "/" + mFileNames[idx];
            cv::Mat img = cv::imread(fileName);
            int new_img_size = img.cols * img.rows;
            if (new_img_size > mImgSize)
            {
                mImgSize = new_img_size;
                cuda_preprocess_destroy();      // 释放之前的内存
                cuda_preprocess_init(mImgSize); // 重新分配内存
            }
            process_input_gpu(img, mDeviceBatchData + i * offset);
        }
        for (int i = 0; i < nbBindings; i++)
        {
            if (!strcmp(names[i], kInputTensorName))
            {
                bindings[i] = mDeviceBatchData + i * offset;
            }
        }

        mCurBatch++;
        return true;
    }
  • readCalibrationCache() 方法用于从缓存文件中读取校准缓存，返回一个指向缓存数据的指针，以及缓存数据的大小。如果没有缓存数据，则返回nullptr。
cpp 复制代码 
const void* readCalibrationCache(std::size_t& length) noexcept override {
    // read from file
    mCalibrationCache.clear();

    std::ifstream input(mCacheFileName, std::ios::binary);
    input >> std::noskipws;

    if (input.good())
    {
        std::copy(std::istream_iterator<char>(input), std::istream_iterator<char>(),
                  std::back_inserter(mCalibrationCache));
    }

    length = mCalibrationCache.size();

    return length ? mCalibrationCache.data() : nullptr;
}
  • writeCalibrationCache() 方法用于将校准缓存写入到缓存文件中。在该方法中，需要将缓存数据指针和缓存数据的大小传递给文件输出流，并将其写入到缓存文件中。
cpp 复制代码 
void writeCalibrationCache(const void* cache, std::size_t length) noexcept override {
    // write tensorrt calibration cache to file
    std::ofstream output(mCacheFileName, std::ios::binary);
    output.write(reinterpret_cast<const char*>(cache), length);
}

在业务代码中，首先会检查当前平台是否支持 INT8 推理，如果不支持，则打印一条警告信息，并设置引擎为 FP16 模式。否则，创建一个 CalibrationDataReader 类型的对象 calibrator，并将其设置为 INT8 校准器，然后将 INT8 模式标志设置到配置对象 config 中。

cpp 复制代码 
// 设置精度，不设置是FP32，设置为FP16，设置为INT8需要额外设置calibrator
if (!builder->platformHasFastInt8())
{
  sample::gLogInfo << "设备不支持int8." << std::endl;
  config->setFlag(nvinfer1::BuilderFlag::kFP16);
}
else
{
  // 设置calibrator量化校准器
  auto calibrator = new CalibrationDataReader(calib_dir, calib_list_file);
  config->setFlag(nvinfer1::BuilderFlag::kINT8);
  config->setInt8Calibrator(calibrator);
}

运行

bash 复制代码 
# 进入media目录，在视频中随机挑选200帧画面作为校准图片
ffmpeg -i c3.mp4 sample%04d.png
ls *.png | shuf -n 200 > filelist.txt

# build后的参数分别是onnx未知、校准集目录（用于拼接完整图片路径）、文件列表路径
./build/build weights/yolov5s_person.onnx ./media/ ./media/filelist.txt

4.4 预处理和后处理

4.4.1 预处理（Preprocess）

Yolov5图像预处理步骤主要如下：

  1. lettorbox：即保持原图比例（图像直接resize到输入大小效果不好），将图片放在一个正方形的画布中，多余的部分用黑色填充。
  2. Normalization（归一化） ：将像素值缩放至[0,1]间；
  3. 颜色通道顺序调整：BGR2RGB
  4. NHWC 转为 NCHW

Letterbox 示例：原图为：960 x 540 的图片，处理后变成640 x 640的正方形图片：

原图 Resize后 letterbox处理后

我们可以使用opencv的cv::warpAffine函数，对图片进行仿射变换，来实现letterbox（在CPU上操作）：

参考代码demo_test/letterbox.cpp

c++ 复制代码 
// 对输入图片进行letterbox处理，即保持原图比例，将图片放在一个正方形的画布中，多余的部分用黑色填充
// 使用cv::warpAffine，将图片进行仿射变换，将图片放在画布中
// 这里使用inline关键字，表示该函数在编译时会被直接替换到调用处，不会生成函数调用，提高效率
inline cv::Mat letterbox(cv::Mat &src)
{
  float scale = std::min(kInputH / (float)src.rows, kInputW / (float)src.cols);

  int offsetx = (kInputW - src.cols * scale) / 2;
  int offsety = (kInputH - src.rows * scale) / 2;

  cv::Point2f srcTri[3]; // 计算原图的三个点：左上角、右上角、左下角
  srcTri[0] = cv::Point2f(0.f, 0.f);
  srcTri[1] = cv::Point2f(src.cols - 1.f, 0.f);
  srcTri[2] = cv::Point2f(0.f, src.rows - 1.f);
  cv::Point2f dstTri[3]; // 计算目标图的三个点：左上角、右上角、左下角
  dstTri[0] = cv::Point2f(offsetx, offsety);
  dstTri[1] = cv::Point2f(src.cols * scale - 1.f + offsetx, offsety);
  dstTri[2] = cv::Point2f(offsetx, src.rows * scale - 1.f + offsety);
  cv::Mat warp_mat = cv::getAffineTransform(srcTri, dstTri);       // 计算仿射变换矩阵
  cv::Mat warp_dst = cv::Mat::zeros(kInputH, kInputW, src.type()); // 创建目标图
  cv::warpAffine(src, warp_dst, warp_mat, warp_dst.size());        // 进行仿射变换
  return warp_dst;
}

为了对比CUDA加速效果，在runtime.cu中，使用参数mode可以选择不同的处理模式：

c++ 复制代码 
// 选择预处理方式
if (mode == 0)
{
  // 使用CPU做letterbox、归一化、BGR2RGB、NHWC to NCHW
  process_input_cpu(frame, (float *)buffers.getDeviceBuffer(kInputTensorName));
}
else if (mode == 1)
{
  // 使用CPU做letterbox，GPU做归一化、BGR2RGB、NHWC to NCHW
  process_input_cv_affine(frame, (float *)buffers.getDeviceBuffer(kInputTensorName));
}
else if (mode == 2)
{
  // 使用cuda预处理所有步骤
  process_input_gpu(frame, (float *)buffers.getDeviceBuffer(kInputTensorName));
}
4.4.1.1 使用CPU做letterbox、归一化、BGR2RGB、NHWC to NCHW
C++ 复制代码 
// 使用CPU做letterbox、归一化、BGR2RGB、NHWC to NCHW
void process_input_cpu(cv::Mat &src, float *input_device_buffer)
{

  auto warp_dst = letterbox(src);                      // letterbox
  warp_dst.convertTo(warp_dst, CV_32FC3, 1.0 / 255.0); // normalization
  cv::cvtColor(warp_dst, warp_dst, cv::COLOR_BGR2RGB); // BGR2RGB
  // NHWC to NCHW：rgbrgbrgb to rrrgggbbb：
  std::vector<cv::Mat> warp_dst_nchw_channels;
  cv::split(warp_dst, warp_dst_nchw_channels); // 将输入图像分解成三个单通道图像：rrrrr、ggggg、bbbbb

  // 将每个单通道图像进行reshape操作，变为1x1xHxW的四维矩阵
  for (auto &img : warp_dst_nchw_channels)
  {
    // reshape参数分别是cn：通道数，rows：行数
    // 类似[[r,r,r,r,r]]或[[g,g,g,g,g]]或[[b,b,b,b,b]]，每个有width * height个元素
    img = img.reshape(1, 1);
  }
  // 将三个单通道图像拼接成一个三通道图像，即rrrrr、ggggg、bbbbb拼接成rrrgggbbb
  cv::Mat warp_dst_nchw;
  cv::hconcat(warp_dst_nchw_channels, warp_dst_nchw);
  // 将处理后的图片数据拷贝到GPU
  CUDA_CHECK(cudaMemcpy(input_device_buffer, warp_dst_nchw.ptr(), kInputH * kInputW * 3 * sizeof(float), cudaMemcpyHostToDevice));
}
4.4.1.2 使用CPU做letterbox，GPU做归一化、BGR2RGB、NHWC to NCHW
C++ 复制代码 
// 使用CPU做letterbox，GPU做归一化、BGR2RGB、NHWC to NCHW
void process_input_cv_affine(cv::Mat &src, float *input_device_buffer)
{
  auto warp_dst = letterbox(src);
  cuda_pure_preprocess(warp_dst.ptr(), input_device_buffer, kInputW, kInputH);
}

// GPU做归一化、BGR2RGB、NHWC to NCHW
void cuda_pure_preprocess(
    uint8_t *src, float *dst, int dst_width, int dst_height)
{

  int img_size = dst_width * dst_height * 3;
  CUDA_CHECK(cudaMemcpy(img_buffer_device, src, img_size, cudaMemcpyHostToDevice));

  int jobs = dst_height * dst_width;
  int threads = 256;
  int blocks = ceil(jobs / (float)threads);

  preprocess_kernel<<<blocks, threads>>>(
      img_buffer_device, dst, dst_width, dst_height, jobs);
}
4.4.1.3 使用GPU预处理所有步骤
c++ 复制代码 
// 使用cuda预处理所有步骤
void process_input_gpu(cv::Mat &src, float *input_device_buffer)
{
  cuda_preprocess(src.ptr(), src.cols, src.rows, input_device_buffer, kInputW, kInputH);
}
4.4.2 后处理（Postprocess）
C++ 复制代码 
// 执行nms（非极大值抑制），得到最后的检测框
std::vector<Detection> bboxs;
yolo_nms(bboxs, num_det, cls, conf, bbox, kConfThresh, kNmsThresh);

// 遍历检测结果
for (size_t j = 0; j < bboxs.size(); j++)
{
  cv::Rect r = get_rect(frame, bboxs[j].bbox);
  cv::rectangle(frame, r, cv::Scalar(0x27, 0xC1, 0x36), 2);
  cv::putText(frame, std::to_string((int)bboxs[j].class_id), cv::Point(r.x, r.y - 10), cv::FONT_HERSHEY_PLAIN, 1.2, cv::Scalar(0x27, 0xC1, 0x36), 2);
}

4.5人员闯入、聚众的应用开发

4.5.1 RTMP推流

代码位置：1.opencv_rtmp

为了将渲染后的画面传输出去，可以结合推流工具，步骤如下：

  1. 启动rtsp-simple-server, 开启RTMP服务器
  2. 使用ffmpeg将视频流推送到RTMP服务器中
  3. 通过vlc等客户端读取rtmp://127.0.0.1:1935/live/mystream 即可获取显示视频流

RTMP服务器：rtsp-simple-server / MediaMTX 是一个现成的、零依赖的服务器和代理，允许用户发布、读取和代理实时视频和音频流；

ffmpeg推流工具：opencv_ffmpeg_streaming。

如果在docker内运行，需要将端口映射出去：

bash 复制代码 
# 映射端口并启动（注意主机端口不一样）
# 1935 是RTMP端口
# 8554 是RTSP端口
docker run --gpus all -it --name env_trt -p 1936:1935 -p 8556:8554 -v $(pwd):/app env_trt_img
bash 复制代码 
# 为了能利用之前的容器（容器内部可能已经安装好了很多组件）

# 之前的启动命令（未映射端口）
docker run --gpus all -it --name env_trt -v $(pwd):/app nvcr.io/nvidia/tensorrt:22.08-py3
# 停止容器
docker stop env_trt
# 创建自定义镜像
docker commit env_trt env_trt_img
# 重新启动

可以将上节课代码做一些改动（代码位置：2.yolo_trt_rtmp），将docker容器内的数据推出来查看，为了演示真实IPC读取场景，我们让rtsp-simple-server也模拟了一个永不结束的RTSP视频流。

bash 复制代码 
# 进入rtmp_server目录
cd rtmp_server
# 开启RTSP模拟IPC以及RTMP服务器
./start_server.sh

如果你使用的是AUTO DL等云服务，请确保对应端口开启或者使用VS Code的端口映射功能查看。

4.5.2 人员闯入应用开发

代码位置：3.yolo_trt_app/task/border_cross.cpp

人员闯入的应用是利用判断一个点是否在多边形内来实现的，多边形和点的定义如下：

cpp 复制代码 
// Point Struct Definitiono
struct Point {
    int x;
    int y;
};

// Polygon Struct Definition
struct Polygon {
    std::vector<Point> points;
};

在代码中实现了射线法（Ray Casting）算法，用于判断一个点是否在一个多边形内部。该算法的基本思路是从给定的点出发沿任意方向画一条射线，然后计算这条射线与多边形相交的次数。如果交点个数是奇数，则该点在多边形内部；否则，它在多边形外部。

函数 isInside 接受一个 Polygon 和一个 Point 作为输入，并返回一个布尔值，指示该点是否在多边形内部。函数首先检查多边形是否至少有三个顶点，因为不到三个顶点的图形不能被视为多边形。

然后，函数创建一个 extreme 点，它的 x 坐标非常大，y 坐标与给定点相同。这个点用于从给定点向右绘制一条水平射线。

然后，函数循环遍历多边形的所有边，检查每个边是否与射线相交。这是使用 doIntersect 函数完成的，该函数检查两条线段是否相交。如果找到一个交点，则函数使用 orientation 函数检查交点相对于边的方向。如果方向为零，则表示交点在边上。该函数然后使用 onSegment 函数检查交点是否在边上。如果交点在边上，则函数返回 true。

如果交点不在边上，则函数增加 count 变量的值。最后，如果 count 是奇数，则函数返回 true，表示该点在多边形内部；否则，它返回 false，表示该点在多边形外部。

总之，给定的代码通过从给定点向右绘制一条水平射线，并计算它与多边形边的交点数来判断点是否在多边形内部。如果交点数是奇数，则该点在多边形内部；如果是偶数，它在多边形外部。

cpp 复制代码 
bool isInside(Polygon polygon, Point p) {
    int n = polygon.points.size();
    if (n < 3) {
        return false;
    }
    Point extreme = {10000, p.y};
    int count = 0, i = 0;
    do {
        int next = (i + 1) % n;
        if (doIntersect(polygon.points[i], polygon.points[next], p, extreme)) {
            if (orientation(polygon.points[i], p, polygon.points[next]) == 0) {
                return onSegment(polygon.points[i], p, polygon.points[next]);
            }
            count++;
        }
        i = next;
    } while (i != 0);
    return count % 2 == 1;
}

通过isInside函数我们可以判断一个点是否在多边形内，从而判断是否有人员闯入。

4.5.3 人员聚众应用开发

代码位置：3.yolo_trt_app/task/gather.cpp

gather.cpp 中gather函数实现了K-means聚类算法，可以将一组点分为多个聚类。通过计算每个聚类中点的标准差，可以确定每个聚类中点之间是否聚集在一起。以下是函数如何使用来确定是否有人员聚集的步骤：

  1. 首先，我们需要获取一组点的数据，这些点代表人员的位置。
  2. 将这些点作为参数传递给 kMeans 函数，该函数需要指定聚类数 k 和最大迭代次数。
  3. kMeans 函数将返回一组聚类，每个聚类都是一组点。
  4. 将这些聚类作为参数传递给 isGather 函数，该函数需要指定一个阈值，该阈值表示允许的最大标准差。
  5. isGather 函数将返回一组聚类，其中每个聚类都被认为是人员聚集的聚类。

调用 isGather 函数，将聚类数据和阈值作为参数传递。如果 gatherPoints 向量非空，则表示存在人员聚集。如果 gatherPoints 向量为空，则表示不存在人员聚集。

gather_rule功能是将给定的点集points按照一定的距离阈值threshold进行聚类，即将距离小于threshold的点归为一类。具体解释如下：

首先定义了一个阈值threshold和一个二维的vector容器gatherPoints，用于存储聚类后的点集。 然后对于points中的每个点进行遍历。 在遍历gatherPoints之前，需要先定义一个函数averagePoint，该函数用于计算一个点集的平均点。接下来对于gatherPoints中的每个点集pts，计算该点集的平均点与当前点的距离dist。 如果dist小于阈值threshold，则将当前点加入到该点集中。 如果dist大于等于阈值threshold，则将当前点作为一个新的点集加入到gatherPoints中。 最后返回聚类后的点集gatherPoints。 总体来说，这段代码通过遍历点集并计算点之间的距离，将距离小于阈值的点归为一类，得到了聚类后的点集。最后再通过点集的大小来判断是否属于人员聚集。目前有3人及以上聚集则当作人员聚集。

4.5.4 多线程流水线

多线程知识参考附录：5.3 多线程pipeline Demo

当前我们程序的大致步骤可以分为：

  1. 从文件或RTSP视频流读取画面帧
  2. 输入数据的预处理
  3. 推理inference
  4. NMS后处理
  5. 绘制画面，及人员闯入及聚众应用
  6. 推流

其实runtime.cu中画面显示的FPS是根据输入数据的预处理 -->推理-->NMS后处理 （2、3、4）这三步的耗时，老师机器参考耗时输出如下：

bash 复制代码 
# 参数：<engine_file> <input_path_path> <preprocess_mode> <dist_threshold> <stream> <bitrate>

# 720P 文件，开启推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 1 8000000
each step time(ms): 1.316,0.349,3.939,0.404,0.798,9.293
each step fps: 759.878,2865.33,253.872,2475.25,1253.13,107.608
method 1 all steps time(ms): 16.102, fps: 62.1041
method 2 all steps time(ms): 1003.58, fps: 60.7826,frame count: 61

# 720P 文件，关闭推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 0 8000000
each step time(ms): 1.376,0.283,3.365,0.336,0.604,0
each step fps: 726.744,3533.57,297.177,2976.19,1655.63,inf
method 1 all steps time(ms): 5.967, fps: 167.588
method 2 all steps time(ms): 1004.79, fps: 157.247,frame count: 158

# 1080P 文件，开启推流
#  ./build/runtime ./weights/yolov5.engine rtmp_server/c3_1080.mp4  2 100 1 8000000
each step time(ms): 2.976,0.667,3.945,0.413,0.916,15.577
each step fps: 336.021,1499.25,253.485,2421.31,1091.7,64.1972
method 1 all steps time(ms): 24.497, fps: 40.8213
method 2 all steps time(ms): 1014.25, fps: 40.4239,frame count: 41

# 1080P 文件，关闭推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5.engine rtmp_server/c3_1080.mp4  2 100 0 8000000
each step time(ms): 2.921,0.614,3.366,0.396,0.891,0
each step fps: 342.349,1628.66,297.089,2525.25,1122.33,inf
method 1 all steps time(ms): 8.191, fps: 122.085
method 2 all steps time(ms): 1004.57, fps: 119.454,frame count: 120

# 1080p rstp视频流，开启推流
#  ./build/runtime ./weights/yolov5.engine rtsp  2 100 1 8000000
each step time(ms): 23.183,0.732,3.961,0.446,0.494,10.165
each step fps: 43.1351,1366.12,252.462,2242.15,2024.29,98.3768
method 1 all steps time(ms): 38.985, fps: 25.6509
method 2 all steps time(ms): 1002.46, fps: 24.9388,frame count: 25

# 1080p rstp视频流，关闭推流
#  ./build/runtime ./weights/yolov5.engine rtsp  2 100 0 8000000
each step time(ms): 30.315,1.508,4.181,1.561,2.567,0
each step fps: 32.987,663.13,239.177,640.615,389.56,inf
method 1 all steps time(ms): 40.138, fps: 24.914
method 2 all steps time(ms): 1013.76, fps: 24.6607,frame count: 25

method 1 ：计算单张图片的总耗时

method 2 : 计算超过 1s 一共处理了多少张图片 (计算平均帧率)

你可以调整各种参数，可以看到：

  • 耗时最高的部分是：
    • 从文件或RTSP视频流读取画面帧（1）
    • 推理inference（3）
    • 推流（6）
  • 分辨率越高耗时越高
  • RTSP视频流的读流速度低于读取文件的方式（设备帧率限制），所以RTSP整体帧率基本上无法超过相机帧率
  • 推流比特率也会影响整体速度
  • 另外，如果画面目标较多，耗时也会增加

在runtime_thread.cu中，我们使用多线程流水线的方式来进行优化，一共分为四个线程：

  1. readFrame：从文件或RTSP视频流读取画面帧（1）
  2. inference：输入数据的预处理、推理inference、NMS后处理（2、3、4）
  3. postprocess： 和 绘制画面，及人员闯入及聚众应用（5）
  4. streamer：推流（6）

老师机器参考耗时输出如下：

bash 复制代码 
# 1080P 文件，开启推流
#  ./build/runtime_thread ./weights/yolov5.engine rtmp_server/c3_1080.mp4  2 100 1 8000000
step1: 3.099ms, fps: 322.685
step2: 5.077ms, fps: 196.967
step3 time: 0.925ms, fps: 1081.08
step4 time: 14.309ms, fps: 69.8861
method 2 all steps time(ms): 1004.54, fps: 57.738,frame count: 58

# 1080p rstp视频流，开启推流
#  ./build/runtime_thread ./weights/yolov5.engine rtsp  2 100 1 8000000
step1: 39.843ms, fps: 25.0985
step2: 5.342ms, fps: 187.196
step3 time: 1.137ms, fps: 879.508
step4 time: 12.741ms, fps: 78.4868
method 2 all steps time(ms): 1038.47, fps: 25.0367,frame count: 26

可以看到：

  • 读取文件方式，所有步骤的帧率由单线程的40多提高到57；
  • 读取rtsp方式，所有步骤的帧率无明显变化（仍然受限于相机帧率）。

4.6 jetson nano 和 jetson xavier NX部署

4.6.1 jetson nx

附件代码位置：jetson代码/nx.zip

! 代码相对于PC有微小改动

老师硬件环境参考信息（使用jtop得到）：

如要刷机，镜像归档参考：https://developer.nvidia.com/embedded/jetpack-archive

编译项目准备：

bash 复制代码 
# 如果出现No CMAKE_CUDA_COMPILER could be found，修改一下环境变量：
export PATH=$PATH:/usr/local/cuda/bin
# 安装依赖包
sudo apt-get install libavutil-dev libavfilter-dev libavformat-dev libsdl2-dev libavcodec-dev libx264-dev libxvidcore-dev libvdpau-dev libva-dev libxcb-shm0-dev libwavpack-dev libvpx-dev libvorbis-dev libogg-dev libvidstab-dev libspeex-dev libopus-dev libopencore-amrnb-dev libopencore-amrwb-dev libmp3lame-dev libfreetype6-dev libfdk-aac-dev libass-dev libbz2-dev libsoxr-dev

YOLOv5 S 模型

  • 单线程
bash 复制代码 
# 参数：<engine_file> <input_path_path> <preprocess_mode> <dist_threshold> <stream> <bitrate>

# 720P 文件，开启推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5s.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1027.08, fps: 15.5781,frame count: 16

# 720P 文件，关闭推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5s.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1003.74, fps: 59.7762,frame count: 60

# 720P RTSP，开启推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5s.engine rtsp  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1032.3, fps: 14.5307,frame count: 15

# 720P RTSP，关闭推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5s.engine rtsp  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1034.82, fps: 25.1251,frame count: 26
  • 多线程
bash 复制代码 
# 参数：<engine_file> <input_path_path> <preprocess_mode> <dist_threshold> <stream> <bitrate>

# 720P 文件，开启推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5s.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1046.31, fps: 20.0705,frame count: 21

# 720P 文件，关闭推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5s.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1003.24, fps: 76.7516,frame count: 77

# 720P RTSP，开启推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5s.engine rtsp  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1005.82, fps: 19.8843,frame count: 20

# 720P RTSP，关闭推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5s.engine rtsp  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1005.57, fps: 24.8616,frame count: 25

YOLOV5 N 模型

  • 单线程
bash 复制代码 
# 参数：<engine_file> <input_path_path> <preprocess_mode> <dist_threshold> <stream> <bitrate>

# 720P 文件，开启推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5n.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1029.93, fps: 16.5059,frame count: 17

# 720P 文件，关闭推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5n.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1007.66, fps: 74.4296,frame count: 75

# 720P RTSP，开启推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5n.engine rtsp  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1013.58, fps: 14.799,frame count: 15

# 720P RTSP，关闭推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5n.engine rtsp  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1003.79, fps: 24.9057,frame count: 25
  • 多线程
bash 复制代码 
# 参数：<engine_file> <input_path_path> <preprocess_mode> <dist_threshold> <stream> <bitrate>

# 720P 文件，开启推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5n.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1046.23, fps: 19.1162,frame count: 20

# 720P 文件，关闭推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5n.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1003.65, fps: 94.655,frame count: 95

# 720P RTSP，开启推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5n.engine rtsp  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1029.55, fps: 18.4546,frame count: 19

# 720P RTSP，关闭推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5n.engine rtsp  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1005.57, fps: 24.8616,frame count: 25
4.6.2 jetson nano

附件代码位置：附件代码位置：jetson代码/nano.zip

! 代码相对于PC有改动

主要修改点：NANO GPU 是Maxwell 架构（参考这里 ），修改了CMakeLists.txt；

老师硬件环境参考信息（使用jtop得到）：

YOLOv5 S 模型

  • 单线程
bash 复制代码 
# 参数：<engine_file> <input_path_path> <preprocess_mode> <dist_threshold> <stream> <bitrate>

# 720P 文件，开启推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5s.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1115.41, fps: 7.17228,frame count: 8

# 720P 文件，关闭推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5s.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1012.27, fps: 12.8424,frame count: 13

# 720P RTSP，开启推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5s.engine rtsp  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1038.04, fps: 8.67019,frame count: 9

# 720P RTSP，关闭推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5s.engine rtsp  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1061.26, fps: 13.1919,frame count: 14
  • 多线程
bash 复制代码 
# 参数：<engine_file> <input_path_path> <preprocess_mode> <dist_threshold> <stream> <bitrate>

# 720P 文件，开启推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5s.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1065.54, fps: 13.1389,frame count: 14

# 720P 文件，关闭推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5s.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1045.08, fps: 13.3961,frame count: 14

# 720P RTSP，开启推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5s.engine rtsp  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1007.5, fps: 13.8958,frame count: 14

# 720P RTSP，关闭推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5s.engine rtsp  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1011.88, fps: 13.8356,frame count: 14

YOLOV5 N 模型

  • 单线程
bash 复制代码 
# 参数：<engine_file> <input_path_path> <preprocess_mode> <dist_threshold> <stream> <bitrate>

# 720P 文件，开启推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5n.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1059.62, fps: 9.43736,frame count: 10

# 720P 文件，关闭推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5n.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1025.55, fps: 23.402,frame count: 24

# 720P RTSP，开启推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5n.engine rtsp  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1044, fps: 11.4942,frame count: 12

# 720P RTSP，关闭推流
# ./build/runtime ./weights/yolov5n.engine rtsp  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1039.09, fps: 25.0219,frame count: 26
  • 多线程
bash 复制代码 
# 参数：<engine_file> <input_path_path> <preprocess_mode> <dist_threshold> <stream> <bitrate>

# 720P 文件，开启推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5n.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1038.55, fps: 14.4432,frame count: 15

# 720P 文件，关闭推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5n.engine rtmp_server/c3_720.mp4  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1023.37, fps: 26.3835,frame count: 27

# 720P RTSP，开启推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5n.engine rtsp  2 100 1 2000000
method 2 all steps time(ms): 1032.58, fps: 19.3689,frame count: 20

# 720P RTSP，关闭推流
# ./build/runtime_thread ./weights/yolov5n.engine rtsp  2 100 0 2000000
method 2 all steps time(ms): 1026.91, fps: 27.2662,frame count: 28

五、附录：

5.1 CUDA quickstart

5.1.1 简介

CUDA是一种并行计算平台和编程模型，由NVIDIA推出，它可以利用GPU（图形处理器）进行高效的并行计算。使用CUDA编程可以提高计算密集型应用程序的性能，例如图像处理、科学计算、机器学习、深度学习等。相比于使用CPU进行串行计算，使用GPU并行计算可以大大提高计算速度和效率（如图像数据归一化，需要对每个像素值进行操作）。

CUDA编程的基本步骤可以概括为以下几个部分：

  1. 定义kernel核函数 ：首先需要定义一个kernel函数，用于在GPU上执行并行计算任务。使用__global__关键字来标记kernel函数，表示它将在GPU上执行。

  2. 分配内存并初始化数据 ：接下来需要在主机端分配内存，并初始化数据。然后，使用cudaMalloc()函数在GPU上分配相同大小的内存，并使用cudaMemcpy()函数将数据从主机端复制到GPU上。

  3. 启动kernel函数 ：使用<<<...>>>语法启动kernel函数，将线程块的数量和大小作为参数传递给kernel函数。线程块的数量和大小通常需要根据计算任务的特点进行调整，以最大化利用GPU的计算能力。

  4. 将结果从GPU上复制回主机端 ：执行kernel函数后，需要使用cudaMemcpy()函数将结果从GPU上复制回主机端。这样我们就可以在主机端访问并处理这些数据了。

  5. 释放内存 ：最后需要使用cudaFree()函数释放在GPU上分配的内存，并使用标准的C或C++语言函数释放在主机端分配的内存。

5.1.2 线程块 block、线程thread

在CUDA编程中，一个CUDA Kernel 是由众多的线程（threads）组成的，这些线程可以被组织成一个或多个block（块），而这些block又可以被组织成一个或多个grid（网格），如下图：

  • Thread：线程是CUDA中最基本的执行单元，每个线程都执行相同的操作，但操作的数据不同。
  • BLock：线程块是线程的集合，所有线程共享同一线程块的共享内存，并且可以通过线程块内同步方式进行通信。
  • Grid：网格是线程块的集合，网格中的所有线程块可以同时执行，每个线程块的线程都相互独立，块之间不能直接通信。

一个grid可以包含多个block，block可以是一维、二维或三维的，block中的thread也可以是一维、二维或三维的。每个线程都有一个唯一的线程ID，可以用来访问不同的数据和内存位置。在同一个线程块中，线程ID是从0开始连续编号的，可以通过内置变量 threadIdx 来获取：

C++ 复制代码 
// 获取本线程的索引，blockIdx 指的是线程块的索引，blockDim 指的是线程块的大小，threadIdx 指的是本线程块中的线程索引
int tid = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;

在CUDA编程中，block和thread的数量和大小通常需要根据计算任务的特点进行调整，以最大化利用GPU的计算能力。例如，对于大规模的并行计算任务，可以使用更多的线程和线程块来充分利用GPU的并行处理能力。而对于计算量较小的任务，使用更少的线程和线程块可能会更高效。

C++ 复制代码 
// 计算需要的线程总量（高度 x 宽度）:640*640=409600
int jobs = dst_height * dst_width;
// 一个线程块包含256个线程
int threads = 256;
// 计算线程块的数量
int blocks = ceil(jobs / (float)threads);

// 调用kernel函数
preprocess_kernel<<<blocks, threads>>>(
  img_buffer_device, dst, dst_width, dst_height, jobs); // 函数的参数
5.1.3 kernel 函数

在CUDA编程中，kernel函数是在GPU上执行的函数，用于实现并行计算任务。当启动kernel函数时，GPU上的每个线程都会执行相同的程序代码，从而实现高效的并行计算。

在CUDA中，我们可以使用__global__关键字来标记一个函数，使之成为kernel函数。__global__关键字告诉编译器这个函数将在GPU上执行，而不是在CPU上执行。除此之外，kernel函数和普通的函数并没有太大区别，可以有输入参数和输出参数，可以有本地变量和控制流程语句，甚至可以调用其他函数。

在kernel函数中，我们可以使用一些内置的变量和函数来获取当前线程的信息，例如threadIdx、blockIdx、blockDim等。这些变量和函数可以帮助我们确定当前线程的位置和执行流程，从而更好地调度并行计算任务的执行。

启动kernel函数需要使用<<<...>>>语法。<<<...>>>中第一个参数一般是一个整数，用于指定线程块的数量。第二个参数是一个整数或一个dim3类型，用于指定每个线程块中的线程数量。dim3类型是一个三维向量，可以分别指定每个线程块中x、y、z方向的线程数量。如果只指定了一个整数，那么默认使用这个整数作为x方向的线程数量，而y和z方向的线程数量默认为1。

C++ 复制代码 
// 向量加法
__global__ void add(int *a, int *b, int *c, int N)
{   
    // 获取本线程块的索引，blockIdx 指的是线程块的索引，blockDim 指的是线程块的大小，threadIdx 指的是线程的索引
    int tid = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;    
    if (tid < N)
        c[tid] = a[tid] + b[tid];
}
// 调用kernel函数
add<<<n_blocks, n_threads>>>(dev_a, dev_b, dev_c, N);
5.1.4 代码解释

simple.cu演示了如何使用CUDA在GPU上进行向量加法，并比较使用CPU和GPU的时间。

5.2 TensorRT plugin

TensorRT插件的编写涉及CUDA、网络操作细节知识较多，本节是YOLOV5 decode的样例，仅作参考。

在实现插件时，需要根据插件的具体功能来设计相应的计算逻辑，更多介绍请参考：https://docs.nvidia.com/deeplearning/tensorrt/developer-guide/index.html#extending

5.2.1 Yolov5 decode流程

将YOLOv5 COCO预训练模型（80个类别）导出ONNX，可查看到3个head（shape分别是[255,80,80], [255,40,40], [255,20,20]），经过decode后变成最终的输出output （[25200,85]），再经过NMS就可以得到最终的检测框。

decode、后处理的大致流程：

  • 输入图片推理得到3个head的特征图

  • 将每个head 变形，下图是其中[255,80,80] 这个head的变形

    • 因为有3种anchor，[255,80,80]可以转换为3个[85,80,80]的Tensor，即[3,85,80,80]
    • 取出其中一个Tensor的一个cell，即一个网格的预测结果，大小为[85,1,1]
      • 其中1,1表示网格的横纵坐标位置
      • 85表示：(tx,ty,tw,th,score, [0,0,1,...,0,0,0] )即检测框的xywh和score，80个类别独热编码的classes
      • decode的核心流程就是根据tx,ty,tw,th计算bx,by,bw,bh

  • 计算bx,by,bw,bh

    • 蓝色为预测框，黑色虚线为anchor

    b x = 2 σ ( t x ) − 0.5 + c x b y = 2 σ ( t y ) − 0.5 + c y b w = p w ( 2 σ ( t w ) ) 2 b h = p h ( 2 σ ( t h ) ) 2 b_x = 2\sigma(t_x)-0.5+c_x \\ b_y = 2\sigma(t_y)-0.5+c_y \\ b_w = p_w(2\sigma(t_w))^2 \\ b_h = p_h(2\sigma(t_h))^2 bx=2σ(tx)−0.5+cxby=2σ(ty)−0.5+cybw=pw(2σ(tw))2bh=ph(2σ(th))2

    bx, by取值范围 (-0.5,1.5) 负责一个网格一定范围内中心点的预测

    bw,bh取值范围(0,4) ，即是anchor宽度高度调节范围的0~4倍

  • 最后三个特征图，每个特征图3种anchor，转换下来：

    • [255,80,80] --> [3,80,80,85] --> [19200,85]
    • [255,40,40] --> [3,40,40,85] --> [4800,85]
    • [255,20,20] --> [3,20,20,85] --> [1200,85]
    • 最终组合到一起，最终的输出为[25200,85] ，85中80是类别数量

  • NMS筛选最终的检测框

5.2.2 plugin基本流程介绍

在我们之前的介绍中提到，我们使用了YoloLayer_TRT插件，其功能是decode onnx模型的输出，这里的decode算子用GPU实现并加速了，以提高模型吞吐量。

参考：3.3 具体修改细节

实现TensorRT Plugin需要实现插件类，和插件工厂类，并对插件进行注册。步骤如下：

  1. 定义插件版本和插件名:

    位置：yoloPlugins.h 第51行

cpp 复制代码 
// 定义插件版本和插件名
namespace
{
    const char *YOLOLAYER_PLUGIN_VERSION{"1"};
    const char *YOLOLAYER_PLUGIN_NAME{"YoloLayer_TRT"};
} // namespace

  1. 实现插件类

    位置：yoloPlugins.h 第58行

    插件类需要继承IPluginV2DynamicExt类。这份代码中定义的插件类名是YoloLayer，其中实现了IPluginV2DynamicExt中的虚函数和一些成员变量和函数。

cpp 复制代码 
class YoloLayer : public nvinfer1::IPluginV2DynamicExt
{
public:
    .....
private:
    ......
};

  1. 实现插件创建类

    位置：yoloPlugins.h 第112行

    插件创建类需要继承IPluginCreator类，并实现其中的虚函数。这份代码中定义的插件创建类名是YoloLayerPluginCreator，其中实现了IPluginCreator中的虚函数和一些成员变量和函数。

cpp 复制代码 
class YoloLayerPluginCreator : public nvinfer1::IPluginCreator
{
public:
    ......

private:
    ......
};

上述代码定义在头文件yoloPlugins.h中，具体的函数实现放在了yoloPlugins.cpp文件中，同时核心的计算部分由cuda进行实现，放在了yoloForward_nc.cu中。

  1. 注册插件

    位置：yoloPlugins.cpp 第341行

    在实现了各个类方法后，需要调用宏对plugin进行注册。以方便TensorRT识别并找到对应的Plugin。

cpp 复制代码 
REGISTER_TENSORRT_PLUGIN(YoloLayerPluginCreator);
  1. 编译插件库并使用
cmake 复制代码 
add_library(yolo_plugin SHARED
    plugins/yoloPlugins.cpp
    plugins/yoloForward_nc.cu
)
add_executable(build
    build.cu
    ${TensorRT_SAMPLE_DIR}/common/logger.cpp
    ${TensorRT_SAMPLE_DIR}/common/sampleUtils.cpp
)
# 这里需要注意加上-Wl,--no-as-needed，否则可能连接失败
target_link_libraries(build PRIVATE -Wl,--no-as-needed yolo_plugin) # -Wl,--no-as-needed is needed to avoid linking errors
5.2.3 Plugin中需要实现的方法介绍

核心需要实现的方法有configurePlugin, enqueue, 还有用于序列化和反序列的方法。

  1. configurePugin用于配置相关参数的信息：
cpp 复制代码 
void YoloLayer::configurePlugin(
    const nvinfer1::DynamicPluginTensorDesc *in, int nbInputs, const nvinfer1::DynamicPluginTensorDesc *out, int nbOutputs) noexcept
{
  ......
}
  1. enqueue方法则是进行模型推理，需要调用对应的推理代码。
C++ 复制代码 
int YoloLayer::enqueue(const nvinfer1::PluginTensorDesc *inputDesc, const nvinfer1::PluginTensorDesc *outputDesc, const void *const *inputs,
                       void *const *outputs, void *workspace, cudaStream_t stream) noexcept
{
	  .......
    return 0;
}
  1. 另外一个比较重要的是序列化，序列化需要把plugin的参数存入序列化数据中，如下代码所示：
cpp 复制代码 
void YoloLayer::serialize(void* buffer) const noexcept
{
    char *d = static_cast<char*>(buffer);

    write(d, m_NetWidth);
    write(d, m_NetHeight);
    write(d, m_MaxStride);
    write(d, m_NumClasses);
    write(d, m_ScoreThreshold);
    write(d, m_OutputSize);

    // write anchors:
    for (int i = 0; i < m_Anchors.size(); i++){
        write(d, m_Anchors[i]);
    }

    // write feature size:
    uint yoloTensorsSize = m_FeatureSpatialSize.size();
    for (uint i = 0; i < yoloTensorsSize; ++i)
    {
        write(d, m_FeatureSpatialSize[i].h());
        write(d, m_FeatureSpatialSize[i].w());
    }
}

其中write函数把plugin的参数写到对应的内存位置，在后续将模型序列化存入磁盘时，这些数据也会被存入模型文件中。在反序列化的过程中，模型序列化数据又会被解析出来用于创建plugin。如下：

cpp 复制代码 
YoloLayer::YoloLayer (const void* data, size_t length)
{
    const char *d = static_cast<const char*>(data);

    read(d, m_NetWidth);
    read(d, m_NetHeight);
    read(d, m_MaxStride);
    read(d, m_NumClasses);
    read(d, m_ScoreThreshold);
    read(d, m_OutputSize);

    m_Anchors.resize(NFEATURES * NANCHORS * 2);
    for(uint i = 0; i < m_Anchors.size(); i++){
        read(d, m_Anchors[i]);
    }

    for(uint i = 0; i < NFEATURES; i++){
        int height;
        int width;
        read(d, height);
        read(d, width);
        m_FeatureSpatialSize.push_back(nvinfer1::DimsHW(height, width));
    }
};

在上面的构造函数中实现了从序列化数据中读取参数的功能，以构造plugin。Plugin需要实现的核心函数包括：

  • getOutputDimensions()：计算并返回插件的输出张量的尺寸。
  • enqueue()：执行插件的前向传播计算。
  • configurePlugin()：设置插件的参数和输入/输出张量的数据类型等信息。
  • getSerializationSize()和serialize()：用于插件的序列化。
  • deserialize()：用于插件的反序列化。

在实现插件时，需要根据插件的具体功能来设计相应的计算逻辑，并在enqueue()函数中实现。同时，还需要根据插件的输入/输出张量的数据类型等信息来设置插件的参数，在configurePlugin()函数中实现。最后,通过宏注册plugin，并和主程序一起编译即可。

C++ 复制代码 
// 注册插件。 在实现了各个类方法后，需要调用宏对plugin进行注册。以方便TensorRT识别并找到对应的Plugin。
REGISTER_TENSORRT_PLUGIN(YoloLayerPluginCreator);

5.3 多线程pipeline Demo

附件位置：4.thread_pipeline

示例代码实现了一个生产者-消费者模型，使用队列作为共享资源来存储生产者生产的数据，消费者从队列中取出数据进行消费。在这个模型中，生产者和消费者是两个不同的线程，共享同一个队列。

  • 定义了一个全局变量 buffer 代表队列，大小为 buffer_size，设置为 10。

  • 使用互斥锁 buffer_mutex 来保护对队列的访问，以确保生产者和消费者不能同时访问队列。

  • not_full 和 not_empty 是条件变量，用于在队列满时阻塞生产者线程，在队列为空时阻塞消费者线程。

  • 生产者线程的函数是 produce()，它将数字 1 到 20 添加到队列中。生产者线程首先尝试获取互斥锁，然后在条件变量 not_full 上等待，直到队列不再满。一旦队列未满，生产者线程将数字添加到队列中，并发送信号给条件变量 not_empty，通知消费者线程队列中已有数据可以消费。

  • 消费者线程的函数是 consume()，它从队列中取出数字并进行消费。消费者线程也首先尝试获取互斥锁，然后在条件变量 not_empty 上等待，直到队列中有数据可供消费。一旦有数据可供消费，消费者线程将数字从队列中删除，并发送信号给条件变量 not_full，通知生产者线程队列中已有空间可以继续生产数据。

  • 在主函数 main() 中，我们创建了两个线程，一个用于生产者函数 producer()，另一个用于消费者函数 consumer()。然后我们等待两个线程执行完毕，使用 join() 函数来等待线程完成执行。

这段代码演示了如何使用互斥锁和条件变量实现生产者-消费者模型，实现了线程之间的同步，以确保生产者和消费者在访问共享资源时不会发生竞争条件问题。

使用g++ main.cpp -std=c++14 -pthread编译代码，并执行./a.out执行代码查看运行结果。

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