征程 6 灰度图部署链路介绍

一、为什么是灰度图

相较于 RGB 三通道图像，灰度图仅保留亮度信息（Y 分量），数据量减少 2/3，相比于常用的 NV12 图像，数据量减少 1/3，内存占用与计算负载显著降低。对于下游网络结构而言，单通道网络计算量/参数量也会更少，这对边缘设备的实时处理至关重要。

灰度图部署有一个问题：如何将视频流中的 NV12 数据高效转换为模型所需的灰度输入，并在工具链中实现标准化前处理流程。

视频通路传输的原始数据通常采用 NV12 格式，这是一种适用于 YUV 色彩空间的半平面格式：

数据结构：NV12 包含一个平面的 Y 分量（亮度信息）和一个平面的 UV 分量（色度信息），其中 Y 分量分辨率为 W×H，UV 分量分辨率为 W×H/2。
灰度图提取：对于灰度图部署，仅需使用 NV12 中的 Y 分量。以 1920×1080 分辨率为例，若 NV12 中 Y 与 UV 分量连续存储，Y 分量占据前 1920×1080 字节，后续部分为 UV 分量，可直接忽略或舍弃，若分开存储，使用起来更简单。

二、灰度图部署数据链路

视频通路过来的数据不能直接是灰度图，而是 nv12 数据，对于灰度图部署，可以只使用其中的 y 分量。

2.1 手动插入前处理节点

在工具链提供的绝大部分材料中，前处理节点多是对于 3 通道网络、nv12 输入进行的，查看工具链用户手册《进阶内容->HBDK Tool API Reference》中几处 api 介绍，可以发现也是支持 gray 灰度图的，具体内容如下：

insert_image_convert(self, mode str = "nv12")

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Insert image_convert op. Change input parameter type.

    Args:
        * mode (str): Specify conversion mode, optional values are "nv12"(default) and "gray".

    Returns:
        List of newly inserted function arguments which is also the inputs of inserted image convert op

    Raises:
        ValueError when this argument is no longer valid

    Note:
        To avoid the new insertion operator not running in some conversion passes, it is recommended to call the insert_xxx api before the convert stage

    Example:
        module = load("model.bc")
        func = module[0]
        res = func.inputs[0].insert_image_convert("nv12")

对于 batch 输入，均值、标准化、归一化等操作，可以在 insert_image_preprocess 中实现：

insert_image_preprocess( self, mode str, divisor int, mean List $float$ , std List $float$ , is_signed bool = True)

Plain 复制代码

Insert image_convert op. Change input parameter type.

    Args:
        * mode (str): Specify conversion mode, optional values are "skip"(default, same as None), "yuvbt601full2rgb", "yuvbt601full2bgr", "yuvbt601video2rgb" and "yuvbt601video2bgr".

    Returns:
        List of newly inserted function arguments which is also the inputs of inserted image preprocess op

    Raises:
        ValueError when this argument is no longer valid

    Note:
        To avoid the new insertion operator not running in some conversion passes, it is recommended to call the insert_xxx api before the convert stage

    Example:
        module = load("model.bc")
        func = module[0]
        res = func.inputs[0].insert_image_preprocess("yuvbt601full2rgb", 255, [0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225], True)

手动插入前处理节点可参考：

Plain 复制代码

mean = [0.485]
std = [0.229]
func = qat_bc[0]

for input in func.flatten_inputs[::-1]:
    split_inputs = input.insert_split(dim=0)
    for split_input in reversed(split_inputs):
        node = split_input.insert_transpose([0, 3, 1, 2])
        node = node.insert_image_preprocess(mode="skip",
                                divisor=255,
                                mean=mean,
                                std=std,
                                is_signed=True)
        node.insert_image_convert(mode="gray")

mean = $0.485$ 和 std = $0.229$ ：定义图像归一化时使用的均值和标准差
func = qat_bc $0$ ：获取量化感知训练（QAT）模型中的第一个函数 / 模块作为处理入口。
for input in func.flatten_inputs $::-1$ ：逆序遍历模型的所有扁平化输入节点。
split_inputs = input.insert_split（dim=0）：将输入数据按批次维度（dim=0）分割，这是处理 batch 输入必须要做的。
node = split_input.insert_transpose（ $0， 3， 1， 2$ ）：将数据维度从 $B， H， W， C$ （NHWC 格式）转换为 $B， C， H， W$ （NCHW 格式），也是必须要做的。
node.insert_image_preprocess（...）：执行图像预处理
node.insert_image_convert（mode="gray"）：插入单通道灰度图

三、全流程示例代码

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import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from horizon_plugin_pytorch import set_march, March
set_march(March.NASH_M)
from horizon_plugin_pytorch.quantization import prepare, set_fake_quantize, FakeQuantState
from horizon_plugin_pytorch.quantization import QuantStub
from horizon_plugin_pytorch.quantization.hbdk4 import export
from horizon_plugin_pytorch.quantization.qconfig_template import calibration_8bit_weight_16bit_act_qconfig_setter, default_calibration_qconfig_setter
from horizon_plugin_pytorch.quantization.qconfig import get_qconfig, MSEObserver, MinMaxObserver
from horizon_plugin_pytorch.dtype import qint8, qint16
from torch.quantization import DeQuantStub
from hbdk4.compiler import statistics, save, load,visualize,compile,convert, hbm_perf

class SimpleConvNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleConvNet, self).__init__()
        # 第一个节点：输入通道 1，输出通道 16，卷积核 3x3
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=1, out_channels=16, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
        # 后续添加一个池化层和一个全连接层
        self.pool = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        self.fc = nn.Linear(16 * 14 * 14, 10)  # 假设输入图像为 28x28
        self.quant = QuantStub()
        self.dequant = DeQuantStub()

    def forward(self, x):
        x = self.quant(x)
        x = self.conv1(x)      # 卷积层
        x = F.relu(x)          # 激活
        x = self.pool(x)       # 池化
        x = x.view(x.size(0), -1)  # Flatten
        x = self.fc(x)         # 全连接层输出
        x = self.dequant(x)
        return x

# 构造模型
model = SimpleConvNet()

# 构造一个假输入：batch_size=4，单通道，28x28 图像
example_input = torch.randn(4, 1, 28, 28)
output = model(example_input)

print("输出 shape:", output.shape)  # torch.Size([4, 10])

calib_model = prepare(model.eval(), example_input, 
                      qconfig_setter=(
                          default_calibration_qconfig_setter,
                          ),
                      )

calib_model.eval()
set_fake_quantize(calib_model, FakeQuantState.CALIBRATION)
calib_model(example_input)

calib_model.eval()                            
set_fake_quantize(calib_model, FakeQuantState.VALIDATION)
calib_out = calib_model(example_input)
print("calib输出数据:", calib_out)

qat_bc = export(calib_model, example_input)
mean = [0.485]
std = [0.229]
func = qat_bc[0]

for input in func.flatten_inputs[::-1]:
    split_inputs = input.insert_split(dim=0)
    for split_input in reversed(split_inputs):
        node = split_input.insert_transpose([0, 3, 1, 2])
        node = node.insert_image_preprocess(mode="skip",
                                divisor=255,
                                mean=mean,
                                std=std,
                                is_signed=True)
        node.insert_image_convert(mode="gray")

quantized_bc = convert(qat_bc, "nash-m")
hbir_func = quantized_bc.functions[0]
hbir_func.remove_io_op(op_types = ["Dequantize","Quantize"])
visualize(quantized_bc, "model_result/quantized_batch4.onnx")
statistics(quantized_bc)
params = {'jobs': 64, 'balance': 100, 'progress_bar': True,
          'opt': 2,'debug': True, "advice": 0.0}
hbm_path="model_result/batch4-gray.hbm"
print("start to compile")
compile(quantized_bc, march="nash-m", path=hbm_path, **params)
print("end to compile")
ebug': True, "advice": 0.0}
hbm_path="model_result/batch4-gray.hbm"
print("start to compile")
compile(quantized_bc, march="nash-m", path=hbm_path, **params)
print("end to compile")