[OpenVINO实战] 在边缘设备上运行Stable Diffusion,实现离线文生图

文章目录

      1. 技术背景介绍
      • 1.1 Stable Diffusion原理概述
      • 1.2 OpenVINO工具包简介
      • 1.3 边缘计算的优势与挑战
      1. 环境准备与安装
      • 2.1 硬件要求
        • 2.1.1 支持的处理设备
        • 2.1.2 内存与存储需求
      • 2.2 软件环境配置
        • 2.2.1 OpenVINO安装
        • 2.2.2 Python依赖包安装
        • 2.2.3 模型文件准备
      1. 模型转换与优化
      • 3.1 原始模型下载
      • 3.2 ONNX格式转换
      • 3.3 OpenVINO模型优化
      1. 核心代码实现
      • 4.1 模型加载模块
      • 4.2 文本编码器实现
      • 4.3 扩散过程控制
      • 4.4 图像解码与后处理
      1. 完整应用部署
      • 5.1 命令行界面开发
      • 5.2 Web服务接口
      1. 测试与性能评估
      • 6.1 功能测试用例
      1. 常见问题与解决方案
      • 7.1 内存不足处理
      1. 成果展示与应用场景
      • 8.1 生成效果示例
      • 8.2 实际应用案例
    • 技术图谱

1. 技术背景介绍

1.1 Stable Diffusion原理概述

Stable Diffusion是一种基于潜在扩散模型(Latent Diffusion Model)的文本到图像生成技术。与传统的在像素空间直接操作的扩散模型不同,Stable Diffusion在潜在空间中进行扩散过程,大大降低了计算复杂度和内存需求。
输入文本 CLIP文本编码器 潜在空间噪声 UNet去噪网络 VAE解码器 输出图像

1.2 OpenVINO工具包简介

OpenVINO(Open Visual Inference & Neural network Optimization)是英特尔开发的用于优化和部署AI推理的工具包。它支持跨多种英特尔硬件(CPU、集成GPU、独立GPU等)的高性能推理,并提供模型优化和压缩功能。

1.3 边缘计算的优势与挑战

在边缘设备上运行Stable Diffusion带来了诸多优势:数据隐私保护、低延迟响应、无需网络连接等。但同时面临计算资源有限、内存约束、能耗限制等挑战。

2. 环境准备与安装

2.1 硬件要求

2.1.1 支持的处理设备
  • Intel Core i5/i7/i9 第10代及以上处理器
  • Intel Iris Xe 集成显卡
  • Intel Arc 独立显卡
  • 至少16GB RAM(推荐32GB)
  • 至少10GB可用存储空间
2.1.2 内存与存储需求

Stable Diffusion模型需要较大的内存空间,以下是详细要求:

组件 最低要求 推荐要求
系统内存 16GB 32GB
模型存储 5GB 10GB
交换空间 8GB 16GB

2.2 软件环境配置

2.2.1 OpenVINO安装

创建安装脚本 install_openvino.sh

bash 复制代码
#!/bin/bash
# install_openvino.sh - OpenVINO 2023.0 安装脚本

echo "正在安装OpenVINO工具包..."

# 添加APT存储库
wget https://apt.repos.intel.com/intel-gpg-keys/GPG-PUB-KEY-INTEL-SW-PRODUCTS.PUB
sudo apt-key add GPG-PUB-KEY-INTEL-SW-PRODUCTS.PUB
echo "deb https://apt.repos.intel.com/openvino/2023 ubuntu20 main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/intel-openvino-2023.list

# 更新并安装
sudo apt update
sudo apt install openvino-2023.0.0

# 设置环境变量
echo "source /opt/intel/openvino_2023/setupvars.sh" >> ~/.bashrc
source /opt/intel/openvino_2023/setupvars.sh

# 验证安装
python3 -c "import openvino.runtime as ov; print('OpenVINO安装成功')"

echo "安装完成!"
2.2.2 Python依赖包安装

创建 requirements.txt 文件:

txt 复制代码
# requirements.txt
torch==2.0.1
torchvision==0.15.2
diffusers==0.16.1
transformers==4.29.2
accelerate==0.19.0
openvino-dev==2023.0.0
onnx==1.14.0
onnxruntime==1.15.1
pillow==9.5.0
numpy==1.24.3
tqdm==4.65.0
scipy==1.10.1
ftfy==6.1.1

安装命令:

bash 复制代码
pip install -r requirements.txt
2.2.3 模型文件准备

创建模型下载脚本 download_models.py

python 复制代码
# download_models.py - Stable Diffusion模型下载脚本

import os
from huggingface_hub import snapshot_download
from pathlib import Path

def download_model(model_id, local_dir):
    """
    从HuggingFace Hub下载模型
    
    Args:
        model_id: 模型ID
        local_dir: 本地存储目录
    """
    print(f"正在下载模型: {model_id}")
    
    # 创建目录
    os.makedirs(local_dir, exist_ok=True)
    
    # 下载模型
    snapshot_download(
        repo_id=model_id,
        local_dir=local_dir,
        local_dir_use_symlinks=False,
        resume_download=True,
        allow_patterns=["*.bin", "*.json", "*.txt", "*.onnx", "*.xml", "*.bin"]
    )
    
    print(f"模型已下载到: {local_dir}")

if __name__ == "__main__":
    # 下载Stable Diffusion v1.5
    download_model("runwayml/stable-diffusion-v1-5", "./models/stable-diffusion-v1-5")
    
    # 下载CLIP文本编码器
    download_model("openai/clip-vit-large-patch14", "./models/clip-text-encoder")
    
    print("所有模型下载完成!")

3. 模型转换与优化

3.1 原始模型下载

使用上述脚本下载原始PyTorch模型,或者手动从HuggingFace下载。

3.2 ONNX格式转换

创建模型转换脚本 convert_to_onnx.py

python 复制代码
# convert_to_onnx.py - 将PyTorch模型转换为ONNX格式

import torch
from diffusers import StableDiffusionPipeline
import onnx
import onnxruntime as ort
from pathlib import Path

def convert_text_encoder_to_onnx(model_path, output_path):
    """
    将CLIP文本编码器转换为ONNX格式
    """
    print("正在转换文本编码器...")
    
    # 加载原始管道
    pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained(
        model_path, 
        torch_dtype=torch.float32
    )
    
    # 提取文本编码器
    text_encoder = pipe.text_encoder
    text_encoder.eval()
    
    # 创建示例输入
    dummy_input = torch.zeros(1, 77, dtype=torch.int64)
    
    # 导出为ONNX
    torch.onnx.export(
        text_encoder,
        dummy_input,
        output_path / "text_encoder.onnx",
        export_params=True,
        opset_version=14,
        do_constant_folding=True,
        input_names=['input_ids'],
        output_names=['last_hidden_state', 'pooler_output'],
        dynamic_axes={
            'input_ids': {0: 'batch_size'},
            'last_hidden_state': {0: 'batch_size'},
            'pooler_output': {0: 'batch_size'}
        }
    )
    
    print("文本编码器转换完成")

def convert_unet_to_onnx(model_path, output_path):
    """
    将UNet扩散模型转换为ONNX格式
    """
    print("正在转换UNet模型...")
    
    pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained(
        model_path, 
        torch_dtype=torch.float32
    )
    
    unet = pipe.unet
    unet.eval()
    
    # UNet的输入: latent_model_input, timestep, encoder_hidden_states
    dummy_latent = torch.randn(1, 4, 64, 64)
    dummy_timestep = torch.tensor([50], dtype=torch.int64)
    dummy_encoder = torch.randn(1, 77, 768)
    
    torch.onnx.export(
        unet,
        (dummy_latent, dummy_timestep, dummy_encoder),
        output_path / "unet.onnx",
        export_params=True,
        opset_version=14,
        do_constant_folding=True,
        input_names=['latent_model_input', 'timestep', 'encoder_hidden_states'],
        output_names=['noise_pred'],
        dynamic_axes={
            'latent_model_input': {0: 'batch_size'},
            'encoder_hidden_states': {0: 'batch_size'},
            'noise_pred': {0: 'batch_size'}
        }
    )
    
    print("UNet模型转换完成")

def convert_vae_to_onnx(model_path, output_path):
    """
    将VAE解码器转换为ONNX格式
    """
    print("正在转换VAE解码器...")
    
    pipe = StableDiffusionPipeline.from_pretrained(
        model_path, 
        torch_dtype=torch.float32
    )
    
    vae = pipe.vae
    vae.eval()
    
    # VAE的输入:latents
    dummy_input = torch.randn(1, 4, 64, 64)
    
    torch.onnx.export(
        vae,
        dummy_input,
        output_path / "vae_decoder.onnx",
        export_params=True,
        opset_version=14,
        do_constant_folding=True,
        input_names=['latents'],
        output_names=['sample'],
        dynamic_axes={
            'latents': {0: 'batch_size'},
            'sample': {0: 'batch_size'}
        }
    )
    
    print("VAE解码器转换完成")

if __name__ == "__main__":
    model_path = "./models/stable-diffusion-v1-5"
    output_path = Path("./models/onnx")
    output_path.mkdir(exist_ok=True)
    
    # 转换所有组件
    convert_text_encoder_to_onnx(model_path, output_path)
    convert_unet_to_onnx(model_path, output_path)
    convert_vae_to_onnx(model_path, output_path)
    
    print("所有模型转换完成!")

3.3 OpenVINO模型优化

创建OpenVINO优化脚本 optimize_with_openvino.py

python 复制代码
# optimize_with_openvino.py - 使用OpenVINO优化ONNX模型

from openvino.tools import mo
from openvino.runtime import serialize
import argparse
from pathlib import Path

def convert_onnx_to_openvino(onnx_model_path, ov_model_path, model_type):
    """
    将ONNX模型转换为OpenVINO格式并进行优化
    
    Args:
        onnx_model_path: ONNX模型路径
        ov_model_path: 输出OpenVINO模型路径
        model_type: 模型类型(text_encoder, unet, vae)
    """
    print(f"正在优化{model_type}模型...")
    
    # 模型特定的优化参数
    compression_config = {
        'text_encoder': {
            'compress_to_fp16': True
        },
        'unet': {
            'compress_to_fp16': True
        },
        'vae': {
            'compress_to_fp16': True
        }
    }
    
    # 转换模型
    ov_model = mo.convert_model(
        onnx_model_path,
        compress_to_fp16=compression_config[model_type]['compress_to_fp16']
    )
    
    # 序列化模型
    serialize(ov_model, str(ov_model_path))
    
    print(f"{model_type}模型优化完成: {ov_model_path}")

def main():
    parser = argparse.ArgumentParser(description='将ONNX模型转换为OpenVINO格式')
    parser.add_argument('--model_dir', type=str, default='./models/onnx',
                       help='ONNX模型目录')
    parser.add_argument('--output_dir', type=str, default='./models/openvino',
                       help='OpenVINO模型输出目录')
    
    args = parser.parse_args()
    
    model_dir = Path(args.model_dir)
    output_dir = Path(args.output_dir)
    output_dir.mkdir(exist_ok=True)
    
    # 转换所有组件
    models_to_convert = [
        ('text_encoder.onnx', 'text_encoder.xml', 'text_encoder'),
        ('unet.onnx', 'unet.xml', 'unet'),
        ('vae_decoder.onnx', 'vae_decoder.xml', 'vae')
    ]
    
    for onnx_name, ov_name, model_type in models_to_convert:
        onnx_path = model_dir / onnx_name
        ov_path = output_dir / ov_name
        
        if onnx_path.exists():
            convert_onnx_to_openvino(onnx_path, ov_path, model_type)
        else:
            print(f"警告: {onnx_path} 不存在,跳过转换")
    
    print("所有模型优化完成!")

if __name__ == "__main__":
    main()

原始PyTorch模型 ONNX格式转换 OpenVINO模型优化 FP16量化压缩 最终部署模型

4. 核心代码实现

4.1 模型加载模块

创建模型管理类 model_manager.py

python 复制代码
# model_manager.py - OpenVINO模型加载和管理

import openvino.runtime as ov
from openvino.runtime import Core
import numpy as np
from typing import Dict, List, Optional
import time
from pathlib import Path

class OpenVINOModelManager:
    """OpenVINO模型管理器"""
    
    def __init__(self, model_dir: str, device: str = "CPU"):
        """
        初始化模型管理器
        
        Args:
            model_dir: 模型目录路径
            device: 推理设备 (CPU, GPU, etc.)
        """
        self.model_dir = Path(model_dir)
        self.device = device
        self.core = Core()
        self.models: Dict[str, ov.CompiledModel] = {}
        self.infer_requests: Dict[str, ov.InferRequest] = {}
        
    def load_model(self, model_name: str, model_path: Path) -> Optional[ov.CompiledModel]:
        """
        加载单个模型
        
        Args:
            model_name: 模型名称
            model_path: 模型文件路径
            
        Returns:
            CompiledModel or None
        """
        try:
            if not model_path.exists():
                print(f"错误: 模型文件不存在 {model_path}")
                return None
            
            print(f"正在加载模型: {model_name}")
            start_time = time.time()
            
            # 读取模型
            model = self.core.read_model(str(model_path))
            
            # 编译模型
            compiled_model = self.core.compile_model(model, self.device)
            
            # 创建推理请求
            infer_request = compiled_model.create_infer_request()
            
            # 存储模型和推理请求
            self.models[model_name] = compiled_model
            self.infer_requests[model_name] = infer_request
            
            load_time = time.time() - start_time
            print(f"模型 {model_name} 加载完成, 耗时: {load_time:.2f}秒")
            
            return compiled_model
            
        except Exception as e:
            print(f"加载模型 {model_name} 时出错: {str(e)}")
            return None
    
    def load_all_models(self) -> bool:
        """
        加载所有必需的模型
        
        Returns:
            bool: 是否全部加载成功
        """
        model_files = {
            "text_encoder": self.model_dir / "text_encoder.xml",
            "unet": self.model_dir / "unet.xml",
            "vae_decoder": self.model_dir / "vae_decoder.xml"
        }
        
        success = True
        for name, path in model_files.items():
            if self.load_model(name, path) is None:
                success = False
        
        return success
    
    def get_model(self, model_name: str) -> Optional[ov.CompiledModel]:
        """获取已加载的模型"""
        return self.models.get(model_name)
    
    def get_infer_request(self, model_name: str) -> Optional[ov.InferRequest]:
        """获取模型的推理请求"""
        return self.infer_requests.get(model_name)
    
    def get_model_inputs(self, model_name: str) -> List[ov.Output]:
        """获取模型的输入信息"""
        model = self.get_model(model_name)
        if model:
            return model.inputs
        return []
    
    def get_model_outputs(self, model_name: str) -> List[ov.Output]:
        """获取模型的输出信息"""
        model = self.get_model(model_name)
        if model:
            return model.outputs
        return []

# 文本编码器封装
class TextEncoderWrapper:
    """文本编码器封装类"""
    
    def __init__(self, model_manager: OpenVINOModelManager):
        self.model_manager = model_manager
        self.model_name = "text_encoder"
        self.infer_request = model_manager.get_infer_request(self.model_name)
    
    def encode(self, input_ids: np.ndarray) -> np.ndarray:
        """
        编码输入文本
        
        Args:
            input_ids: 输入的token ID数组
            
        Returns:
           编码后的隐藏状态
        """
        if self.infer_request is None:
            raise ValueError("文本编码器未初始化")
        
        # 设置输入
        self.infer_request.set_input_tensor(
            self.infer_request.model_input(0), 
            ov.Tensor(input_ids.astype(np.int64))
        )
        
        # 执行推理
        self.infer_request.start_async()
        self.infer_request.wait()
        
        # 获取输出
        return self.infer_request.get_output_tensor(0).data

# UNet扩散模型封装
class UNetWrapper:
    """UNet扩散模型封装类"""
    
    def __init__(self, model_manager: OpenVINOModelManager):
        self.model_manager = model_manager
        self.model_name = "unet"
        self.infer_request = model_manager.get_infer_request(self.model_name)
    
    def predict_noise(self, 
                      latent_model_input: np.ndarray, 
                      timestep: np.ndarray, 
                      encoder_hidden_states: np.ndarray) -> np.ndarray:
        """
        预测噪声
        
        Args:
            latent_model_input: 潜在空间输入
            timestep: 时间步
            encoder_hidden_states: 编码器隐藏状态
            
        Returns:
            预测的噪声
        """
        if self.infer_request is None:
            raise ValueError("UNet模型未初始化")
        
        # 设置输入
        inputs = {
            'latent_model_input': latent_model_input.astype(np.float32),
            'timestep': timestep.astype(np.int64),
            'encoder_hidden_states': encoder_hidden_states.astype(np.float32)
        }
        
        # 执行推理
        results = self.infer_request.infer(inputs)
        
        return results['noise_pred']

# VAE解码器封装
class VAEDecoderWrapper:
    """VAE解码器封装类"""
    
    def __init__(self, model_manager: OpenVINOModelManager):
        self.model_manager = model_manager
        self.model_name = "vae_decoder"
        self.infer_request = model_manager.get_infer_request(self.model_name)
    
    def decode(self, latents: np.ndarray) -> np.ndarray:
        """
        解码潜在表示到图像空间
        
        Args:
            latents: 潜在表示
            
        Returns:
            解码后的图像
        """
        if self.infer_request is None:
            raise ValueError("VAE解码器未初始化")
        
        # 设置输入
        self.infer_request.set_input_tensor(
            self.infer_request.model_input(0), 
            ov.Tensor(latents.astype(np.float32))
        )
        
        # 执行推理
        self.infer_request.start_async()
        self.infer_request.wait()
        
        # 获取输出
        return self.infer_request.get_output_tensor(0).data

4.2 文本编码器实现

创建文本处理模块 text_processor.py

python 复制代码
# text_processor.py - 文本预处理和编码

from transformers import CLIPTokenizer
import numpy as np
from typing import List, Tuple

class TextProcessor:
    """文本处理器"""
    
    def __init__(self, tokenizer_path: str = "./models/clip-text-encoder"):
        """
        初始化文本处理器
        
        Args:
            tokenizer_path: tokenizer模型路径
        """
        self.tokenizer = CLIPTokenizer.from_pretrained(tokenizer_path)
        self.max_length = 77
    
    def preprocess_text(self, prompt: str) -> Tuple[np.ndarray, np.ndarray]:
        """
        预处理文本提示
        
        Args:
            prompt: 文本提示
            
        Returns:
            input_ids: 输入的token ID
            attention_mask: 注意力掩码
        """
        # Tokenize文本
        text_inputs = self.tokenizer(
            prompt,
            padding="max_length",
            max_length=self.max_length,
            truncation=True,
            return_tensors="np"
        )
        
        return text_inputs.input_ids, text_inputs.attention_mask
    
    def encode_text(self, text_encoder, prompt: str) -> np.ndarray:
        """
        编码文本提示
        
        Args:
            text_encoder: 文本编码器
            prompt: 文本提示
            
        Returns:
            编码后的文本特征
        """
        input_ids, attention_mask = self.preprocess_text(prompt)
        
        # 使用文本编码器进行编码
        text_embeddings = text_encoder.encode(input_ids)
        
        return text_embeddings
    
    def create_weighted_prompt(self, prompts: List[str], weights: List[float]) -> str:
        """
        创建加权提示文本
        
        Args:
            prompts: 提示文本列表
            weights: 权重列表
            
        Returns:
            加权后的提示文本
        """
        if len(prompts) != len(weights):
            raise ValueError("提示和权重的数量必须相同")
        
        weighted_parts = []
        for prompt, weight in zip(prompts, weights):
            if weight != 1.0:
                weighted_parts.append(f"({prompt}:{weight:.2f})")
            else:
                weighted_parts.append(prompt)
        
        return " ".join(weighted_parts)

4.3 扩散过程控制

创建扩散调度器 diffusion_scheduler.py

python 复制代码
# diffusion_scheduler.py - 扩散过程调度器

import numpy as np
from typing import List, Optional
import math

class DiffusionScheduler:
    """扩散过程调度器"""
    
    def __init__(self, num_inference_steps: int = 50, beta_start: float = 0.00085, 
                 beta_end: float = 0.012, beta_schedule: str = "scaled_linear"):
        """
        初始化扩散调度器
        
        Args:
            num_inference_steps: 推理步数
            beta_start: beta起始值
            beta_end: beta结束值
            beta_schedule: beta调度策略
        """
        self.num_inference_steps = num_inference_steps
        self.beta_start = beta_start
        self.beta_end = beta_end
        self.beta_schedule = beta_schedule
        
        self.betas = self._get_betas()
        self.alphas = 1.0 - self.betas
        self.alphas_cumprod = np.cumprod(self.alphas, axis=0)
        self.one = np.array(1.0)
        
        # 初始化时间步
        self.timesteps = None
        self._setup_timesteps()
    
    def _get_betas(self) -> np.ndarray:
        """获取beta序列"""
        if self.beta_schedule == "linear":
            return np.linspace(
                self.beta_start, self.beta_end, self.num_inference_steps, dtype=np.float32
            )
        elif self.beta_schedule == "scaled_linear":
            return np.linspace(
                self.beta_start ** 0.5, self.beta_end ** 0.5, self.num_inference_steps, dtype=np.float32
            ) ** 2
        else:
            raise ValueError(f"不支持的beta调度策略: {self.beta_schedule}")
    
    def _setup_timesteps(self):
        """设置时间步"""
        # 从训练步数映射到推理步数
        self.timesteps = np.linspace(
            0, self.num_inference_steps - 1, self.num_inference_steps, dtype=np.int64
        )[::-1].copy()
    
    def get_alpha_prod(self, t: int) -> float:
        """获取alpha累积乘积"""
        return self.alphas_cumprod[t]
    
    def scale_model_input(self, latent: np.ndarray, timestep: int) -> np.ndarray:
        """
        缩放模型输入
        
        Args:
            latent: 潜在表示
            timestep: 时间步
            
        Returns:
            缩放后的潜在表示
        """
        # 根据时间步获取sqrt(alpha_prod)
        sqrt_alpha_prod = np.sqrt(self.get_alpha_prod(timestep))
        
        # 缩放输入
        return latent * sqrt_alpha_prod
    
    def step(self, noise_pred: np.ndarray, latents: np.ndarray, 
            timestep: int, generator: Optional[np.random.Generator] = None) -> np.ndarray:
        """
        执行一步扩散过程
        
        Args:
            noise_pred: 预测的噪声
            latents: 当前潜在表示
            timestep: 当前时间步
            generator: 随机数生成器
            
        Returns:
            更新后的潜在表示
        """
        if generator is None:
            generator = np.random.default_rng()
        
        # 获取当前时间步的参数
        alpha_prod_t = self.get_alpha_prod(timestep)
        alpha_prod_t_prev = self.get_alpha_prod(timestep - 1) if timestep > 0 else self.one
        
        beta_prod_t = 1 - alpha_prod_t
        beta_prod_t_prev = 1 - alpha_prod_t_prev
        
        # 计算预测的原始样本
        pred_original_sample = (latents - beta_prod_t ** 0.5 * noise_pred) / alpha_prod_t ** 0.5
        
        # 计算当前样本的系数
        pred_sample_direction = (1 - alpha_prod_t_prev) ** 0.5 * noise_pred
        
        # 计算前一步的样本
        prev_sample = alpha_prod_t_prev ** 0.5 * pred_original_sample + pred_sample_direction
        
        # 添加噪声(如果不是最后一步)
        if timestep > 0:
            noise = generator.normal(size=latents.shape).astype(np.float32)
            prev_sample = prev_sample + (beta_prod_t_prev ** 0.5) * noise
        
        return prev_sample
    
    def add_noise(self, original_samples: np.ndarray, noise: np.ndarray, 
                 timesteps: np.ndarray) -> np.ndarray:
        """
        添加噪声到原始样本
        
        Args:
            original_samples: 原始样本
            noise: 噪声
            timesteps: 时间步数组
            
        Returns:
            添加噪声后的样本
        """
        sqrt_alpha_prod = np.sqrt(self.get_alpha_prod(timesteps))
        sqrt_one_minus_alpha_prod = np.sqrt(1 - self.get_alpha_prod(timesteps))
        
        noisy_samples = sqrt_alpha_prod * original_samples + sqrt_one_minus_alpha_prod * noise
        
        return noisy_samples

4.4 图像解码与后处理

创建图像处理模块 image_processor.py

python 复制代码
# image_processor.py - 图像后处理和解码

import numpy as np
from PIL import Image
import cv2
from typing import List, Optional

class ImageProcessor:
    """图像处理器"""
    
    def __init__(self, image_size: int = 512):
        """
        初始化图像处理器
        
        Args:
            image_size: 图像尺寸
        """
        self.image_size = image_size
        self.mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
        self.std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
    
    def decode_latents(self, vae_decoder, latents: np.ndarray) -> np.ndarray:
        """
        解码潜在表示到图像
        
        Args:
            vae_decoder: VAE解码器
            latents: 潜在表示
            
        Returns:
            解码后的图像
        """
        # 使用VAE解码器进行解码
        images = vae_decoder.decode(latents)
        
        # 从CHW转换为HWC
        images = np.transpose(images, (0, 2, 3, 1))
        
        # 反归一化
        images = (images / 2 + 0.5).clip(0, 1)
        
        # 转换为0-255范围
        images = (images * 255).astype(np.uint8)
        
        return images
    
    def numpy_to_pil(self, images: np.ndarray) -> List[Image.Image]:
        """
        numpy数组转换为PIL图像
        
        Args:
            images: numpy图像数组
            
        Returns:
            PIL图像列表
        """
        if images.ndim == 3:
            images = images[np.newaxis, ...]
        
        pil_images = []
        for image in images:
            pil_image = Image.fromarray(image)
            pil_images.append(pil_image)
        
        return pil_images
    
    def resize_and_crop(self, image: Image.Image, size: int) -> Image.Image:
        """
        调整大小和裁剪图像
        
        Args:
            image: 输入图像
            size: 目标尺寸
            
        Returns:
            处理后的图像
        """
        # 保持宽高比调整大小
        width, height = image.size
        if width > height:
            new_width = int(width * size / height)
            new_height = size
        else:
            new_width = size
            new_height = int(height * size / width)
        
        resized_image = image.resize((new_width, new_height), Image.LANCZOS)
        
        # 中心裁剪
        left = (new_width - size) / 2
        top = (new_height - size) / 2
        right = (new_width + size) / 2
        bottom = (new_height + size) / 2
        
        cropped_image = resized_image.crop((left, top, right, bottom))
        
        return cropped_image
    
    def apply_watermark(self, image: Image.Image) -> Image.Image:
        """
        添加水印
        
        Args:
            image: 输入图像
            
        Returns:
            带水印的图像
        """
        # 创建水印文本
        watermark_text = "Generated with OpenVINO"
        
        # 转换为OpenCV格式
        cv_image = np.array(image)
        if cv_image.shape[2] == 4:  # RGBA
            cv_image = cv2.cvtColor(cv_image, cv2.COLOR_RGBA2RGB)
        
        # 添加文本水印
        font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX
        font_scale = 0.5
        font_color = (255, 255, 255)
        thickness = 1
        
        # 获取文本尺寸
        text_size = cv2.getTextSize(watermark_text, font, font_scale, thickness)[0]
        
        # 计算文本位置(右下角)
        text_x = image.width - text_size[0] - 10
        text_y = image.height - 10
        
        # 添加文本背景
        cv2.rectangle(cv_image, 
                     (text_x - 5, text_y - text_size[1] - 5),
                     (text_x + text_size[0] + 5, text_y + 5),
                     (0, 0, 0), -1)
        
        # 添加文本
        cv2.putText(cv_image, watermark_text, (text_x, text_y), 
                   font, font_scale, font_color, thickness)
        
        # 转换回PIL格式
        return Image.fromarray(cv_image)
    
    def create_grid(self, images: List[Image.Image], grid_size: Optional[tuple] = None) -> Image.Image:
        """
        创建图像网格
        
        Args:
            images: 图像列表
            grid_size: 网格尺寸 (rows, cols)
            
        Returns:
            网格图像
        """
        if grid_size is None:
            grid_size = (int(np.ceil(np.sqrt(len(images)))), 
                         int(np.ceil(np.sqrt(len(images)))))
        
        rows, cols = grid_size
        width, height = images[0].size
        
        # 创建空白网格图像
        grid_image = Image.new('RGB', (cols * width, rows * height))
        
        # 填充网格
        for i, image in enumerate(images):
            row = i // cols
            col = i % cols
            grid_image.paste(image, (col * width, row * height))
        
        return grid_image

5. 完整应用部署

5.1 命令行界面开发

创建主应用程序 main.py

python 复制代码
# main.py - Stable Diffusion文生图主应用程序

import argparse
import numpy as np
from pathlib import Path
from typing import List, Optional
import time
from PIL import Image

from model_manager import OpenVINOModelManager, TextEncoderWrapper, UNetWrapper, VAEDecoderWrapper
from text_processor import TextProcessor
from diffusion_scheduler import DiffusionScheduler
from image_processor import ImageProcessor

class StableDiffusionApp:
    """Stable Diffusion应用程序"""
    
    def __init__(self, model_dir: str = "./models/openvino", device: str = "CPU"):
        """
        初始化应用程序
        
        Args:
            model_dir: 模型目录
            device: 推理设备
        """
        self.model_dir = model_dir
        self.device = device
        
        # 初始化组件
        self.model_manager = None
        self.text_encoder = None
        self.unet = None
        self.vae_decoder = None
        self.text_processor = None
        self.scheduler = None
        self.image_processor = None
        
        # 状态标志
        self.is_initialized = False
    
    def initialize(self):
        """初始化所有组件"""
        print("正在初始化Stable Diffusion应用程序...")
        start_time = time.time()
        
        try:
            # 初始化模型管理器
            self.model_manager = OpenVINOModelManager(self.model_dir, self.device)
            if not self.model_manager.load_all_models():
                raise RuntimeError("模型加载失败")
            
            # 初始化模型封装器
            self.text_encoder = TextEncoderWrapper(self.model_manager)
            self.unet = UNetWrapper(self.model_manager)
            self.vae_decoder = VAEDecoderWrapper(self.model_manager)
            
            # 初始化处理器
            self.text_processor = TextProcessor()
            self.scheduler = DiffusionScheduler(num_inference_steps=20)  # 减少步数以加快速度
            self.image_processor = ImageProcessor()
            
            self.is_initialized = True
            init_time = time.time() - start_time
            print(f"应用程序初始化完成,耗时: {init_time:.2f}秒")
            
        except Exception as e:
            print(f"初始化失败: {str(e)}")
            self.is_initialized = False
    
    def generate_image(self, prompt: str, negative_prompt: Optional[str] = None,
                      num_images: int = 1, seed: Optional[int] = None,
                      guidance_scale: float = 7.5) -> List[Image.Image]:
        """
        生成图像
        
        Args:
            prompt: 正向提示
            negative_prompt: 负向提示
            num_images: 生成图像数量
            seed: 随机种子
            guidance_scale: 引导尺度
            
        Returns:
            生成的图像列表
        """
        if not self.is_initialized:
            raise RuntimeError("应用程序未初始化")
        
        print(f"正在生成图像: {prompt}")
        start_time = time.time()
        
        # 设置随机种子
        if seed is not None:
            np.random.seed(seed)
        generator = np.random.default_rng(seed)
        
        try:
            # 编码文本提示
            print("编码文本提示...")
            prompt_embeds = self.text_processor.encode_text(self.text_encoder, prompt)
            
            if negative_prompt:
                negative_embeds = self.text_processor.encode_text(self.text_encoder, negative_prompt)
                # 合并正向和负向提示
                text_embeddings = np.concatenate([negative_embeds, prompt_embeds], axis=0)
            else:
                text_embeddings = prompt_embeds
            
            # 初始化潜在噪声
            print("初始化潜在噪声...")
            batch_size = num_images
            height = 512 // 8  # VAE缩放因子
            width = 512 // 8
            
            latents = generator.normal(
                size=(batch_size, 4, height, width)
            ).astype(np.float32)
            
            # 扩散过程
            print("开始扩散过程...")
            self.scheduler.timesteps = self.scheduler.timesteps
            
            for i, t in enumerate(self.scheduler.timesteps):
                print(f"扩散步数: {i+1}/{len(self.scheduler.timesteps)}")
                
                # 扩展潜在噪声以匹配批大小
                latent_model_input = np.concatenate([latents] * 2) if negative_prompt else latents
                latent_model_input = self.scheduler.scale_model_input(latent_model_input, t)
                
                # 预测噪声
                noise_pred = self.unet.predict_noise(
                    latent_model_input, 
                    np.array([t], dtype=np.int64), 
                    text_embeddings
                )
                
                # 执行引导
                if negative_prompt:
                    noise_pred_uncond, noise_pred_text = np.split(noise_pred, 2)
                    noise_pred = noise_pred_uncond + guidance_scale * (noise_pred_text - noise_pred_uncond)
                
                # 更新潜在表示
                latents = self.scheduler.step(noise_pred, latents, t, generator)
            
            # 解码图像
            print("解码图像...")
            images = self.image_processor.decode_latents(self.vae_decoder, latents)
            pil_images = self.image_processor.numpy_to_pil(images)
            
            # 添加水印
            pil_images = [self.image_processor.apply_watermark(img) for img in pil_images]
            
            gen_time = time.time() - start_time
            print(f"图像生成完成,耗时: {gen_time:.2f}秒")
            
            return pil_images
            
        except Exception as e:
            print(f"图像生成失败: {str(e)}")
            raise
    
    def save_images(self, images: List[Image.Image], output_dir: str, 
                   base_name: str = "generated"):
        """
        保存生成的图像
        
        Args:
            images: 图像列表
            output_dir: 输出目录
            base_name: 基础文件名
        """
        output_path = Path(output_dir)
        output_path.mkdir(exist_ok=True)
        
        saved_paths = []
        for i, image in enumerate(images):
            filename = f"{base_name}_{i+1:03d}.png"
            filepath = output_path / filename
            image.save(filepath)
            saved_paths.append(filepath)
            print(f"已保存: {filepath}")
        
        # 创建网格图像
        if len(images) > 1:
            grid_image = self.image_processor.create_grid(images)
            grid_path = output_path / f"{base_name}_grid.png"
            grid_image.save(grid_path)
            print(f"已保存网格: {grid_path}")
            saved_paths.append(grid_path)
        
        return saved_paths

def main():
    """主函数"""
    parser = argparse.ArgumentParser(description='Stable Diffusion文生图应用程序')
    parser.add_argument('--prompt', type=str, required=True,
                       help='文本提示')
    parser.add_argument('--negative-prompt', type=str, default="",
                       help='负向提示')
    parser.add_argument('--num-images', type=int, default=1,
                       help='生成图像数量')
    parser.add_argument('--seed', type=int, default=None,
                       help='随机种子')
    parser.add_argument('--guidance-scale', type=float, default=7.5,
                       help='引导尺度')
    parser.add_argument('--output-dir', type=str, default="./output",
                       help='输出目录')
    parser.add_argument('--model-dir', type=str, default="./models/openvino",
                       help='模型目录')
    parser.add_argument('--device', type=str, default="CPU",
                       help='推理设备 (CPU, GPU, etc.)')
    
    args = parser.parse_args()
    
    # 创建应用程序实例
    app = StableDiffusionApp(args.model_dir, args.device)
    
    # 初始化
    app.initialize()
    if not app.is_initialized:
        print("应用程序初始化失败")
        return
    
    # 生成图像
    try:
        images = app.generate_image(
            prompt=args.prompt,
            negative_prompt=args.negative_prompt if args.negative_prompt else None,
            num_images=args.num_images,
            seed=args.seed,
            guidance_scale=args.guidance_scale
        )
        
        # 保存图像
        saved_paths = app.save_images(images, args.output_dir)
        print(f"生成完成!共保存 {len(saved_paths)} 个文件")
        
    except Exception as e:
        print(f"生成过程中出错: {str(e)}")

if __name__ == "__main__":
    main()

5.2 Web服务接口

创建Web服务 web_app.py

python 复制代码
# web_app.py - Stable Diffusion Web服务

from flask import Flask, request, jsonify, send_file
import io
import base64
from PIL import Image
import numpy as np
import threading
import time
from typing import Dict, Any

from main import StableDiffusionApp

app = Flask(__name__)
sd_app = None
request_queue = []
request_lock = threading.Lock()
processing = False

def initialize_app():
    """初始化应用程序"""
    global sd_app
    print("正在初始化Stable Diffusion Web服务...")
    sd_app = StableDiffusionApp()
    sd_app.initialize()
    print("Web服务初始化完成")

@app.before_first_request
def before_first_request():
    """在第一个请求前初始化"""
    init_thread = threading.Thread(target=initialize_app)
    init_thread.start()

@app.route('/generate', methods=['POST'])
def generate_image():
    """生成图像API"""
    if not sd_app or not sd_app.is_initialized:
        return jsonify({'error': '服务未就绪'}), 503
    
    try:
        data = request.get_json()
        prompt = data.get('prompt', '')
        negative_prompt = data.get('negative_prompt', '')
        num_images = data.get('num_images', 1)
        seed = data.get('seed', None)
        guidance_scale = data.get('guidance_scale', 7.5)
        
        if not prompt:
            return jsonify({'error': '提示不能为空'}), 400
        
        # 生成图像
        images = sd_app.generate_image(
            prompt=prompt,
            negative_prompt=negative_prompt if negative_prompt else None,
            num_images=num_images,
            seed=seed,
            guidance_scale=guidance_scale
        )
        
        # 准备响应
        response_data = {
            'prompt': prompt,
            'num_generated': len(images),
            'images': []
        }
        
        # 转换图像为base64
        for i, img in enumerate(images):
            img_io = io.BytesIO()
            img.save(img_io, 'PNG')
            img_io.seek(0)
            img_base64 = base64.b64encode(img_io.getvalue()).decode('utf-8')
            
            response_data['images'].append({
                'index': i + 1,
                'data': f"data:image/png;base64,{img_base64}"
            })
        
        return jsonify(response_data)
        
    except Exception as e:
        return jsonify({'error': str(e)}), 500

@app.route('/status', methods=['GET'])
def get_status():
    """获取服务状态"""
    status = {
        'initialized': sd_app is not None and sd_app.is_initialized,
        'device': sd_app.device if sd_app else 'unknown',
        'model_loaded': sd_app is not None
    }
    return jsonify(status)

@app.route('/health', methods=['GET'])
def health_check():
    """健康检查"""
    return jsonify({'status': 'ok'})

if __name__ == '__main__':
    # 先初始化应用程序
    initialize_app()
    
    # 启动Web服务
    app.run(host='0.0.0.0', port=5000, threaded=True)

用户请求 Web服务器 认证与验证 文本编码 扩散过程 图像解码 后处理 返回结果

6. 测试与性能评估

6.1 功能测试用例

创建测试脚本 test_sd.py

python 复制代码
# test_sd.py - 功能测试脚本

import unittest
import numpy as np
from PIL import Image
import os
from pathlib import Path

from main import StableDiffusionApp
from model_manager import OpenVINOModelManager
from text_processor import TextProcessor

class TestStableDiffusion(unittest.TestCase):
    """Stable Diffusion功能测试"""
    
    @classmethod
    def setUpClass(cls):
        """测试类设置"""
        cls.app = StableDiffusionApp()
        cls.app.initialize()
    
    def test_text_encoding(self):
        """测试文本编码"""
        print("测试文本编码...")
        
        # 测试文本预处理
        text_processor = TextProcessor()
        input_ids, attention_mask = text_processor.preprocess_text("a beautiful landscape")
        
        self.assertEqual(input_ids.shape, (1, 77))
        self.assertEqual(attention_mask.shape, (1, 77))
        
        # 测试文本编码
        embeddings = self.app.text_encoder.encode(input_ids)
        self.assertEqual(embeddings.shape, (1, 77, 768))
        
        print("文本编码测试通过")
    
    def test_latent_generation(self):
        """测试潜在噪声生成"""
        print("测试潜在噪声生成...")
        
        generator = np.random.default_rng(42)
        latents = generator.normal(size=(1, 4, 64, 64)).astype(np.float32)
        
        self.assertEqual(latents.shape, (1, 4, 64, 64))
        self.assertAlmostEqual(np.mean(latents), 0.0, delta=0.1)
        
        print("潜在噪声生成测试通过")
    
    def test_image_generation(self):
        """测试图像生成"""
        print("测试图像生成...")
        
        # 生成简单图像
        try:
            images = self.app.generate_image(
                prompt="a simple test image",
                num_images=1,
                seed=42,
                guidance_scale=7.5
            )
            
            self.assertEqual(len(images), 1)
            self.assertIsInstance(images[0], Image.Image)
            self.assertEqual(images[0].size, (512, 512))
            
            # 保存测试图像
            test_dir = Path("./test_output")
            test_dir.mkdir(exist_ok=True)
            images[0].save(test_dir / "test_image.png")
            
            print("图像生成测试通过")
            
        except Exception as e:
            self.fail(f"图像生成失败: {str(e)}")
    
    def test_batch_generation(self):
        """测试批量生成"""
        print("测试批量生成...")
        
        try:
            images = self.app.generate_image(
                prompt="a beautiful sunset",
                num_images=4,
                seed=123,
                guidance_scale=7.5
            )
            
            self.assertEqual(len(images), 4)
            for img in images:
                self.assertIsInstance(img, Image.Image)
                self.assertEqual(img.size, (512, 512))
            
            print("批量生成测试通过")
            
        except Exception as e:
            self.fail(f"批量生成失败: {str(e)}")

def run_performance_test():
    """运行性能测试"""
    print("运行性能测试...")
    
    app = StableDiffusionApp()
    app.initialize()
    
    # 测试不同提示的性能
    test_prompts = [
        "a cat sitting on a chair",
        "a beautiful landscape with mountains and lakes",
        "a futuristic city with flying cars"
    ]
    
    results = []
    
    for prompt in test_prompts:
        print(f"测试提示: {prompt}")
        
        start_time = time.time()
        
        images = app.generate_image(
            prompt=prompt,
            num_images=1,
            seed=42,
            guidance_scale=7.5
        )
        
        end_time = time.time()
        generation_time = end_time - start_time
        
        results.append({
            'prompt': prompt,
            'time': generation_time,
            'success': len(images) > 0
        })
        
        print(f"生成时间: {generation_time:.2f}秒")
    
    # 输出性能报告
    print("\n性能测试结果:")
    print("=" * 50)
    for result in results:
        status = "成功" if result['success'] else "失败"
        print(f"{result['prompt']}: {result['time']:.2f}秒 ({status})")
    
    avg_time = sum(r['time'] for r in results) / len(results)
    print(f"\n平均生成时间: {avg_time:.2f}秒")

if __name__ == '__main__':
    # 运行单元测试
    print("运行单元测试...")
    unittest.main(exit=False)
    
    # 运行性能测试
    run_performance_test()

7. 常见问题与解决方案

7.1 内存不足处理

问题描述: 在内存有限的设备上运行时出现内存不足错误。

解决方案:

  1. 使用模型量化减少内存占用
  2. 启用内存交换
  3. 减少批处理大小

创建内存优化脚本 memory_optimizer.py

python 复制代码
# memory_optimizer.py - 内存优化工具

import psutil
import gc
import numpy as np
from typing import Optional

class MemoryOptimizer:
    """内存优化器"""
    
    def __init__(self, max_memory_usage: float = 0.8):
        """
        初始化内存优化器
        
        Args:
            max_memory_usage: 最大内存使用比例
        """
        self.max_memory_usage = max_memory_usage
        self.total_memory = psutil.virtual_memory().total
    
    def get_memory_usage(self) -> float:
        """获取当前内存使用率"""
        return psutil.virtual_memory().percent / 100
    
    def is_memory_available(self, required_mb: int) -> bool:
        """
        检查是否有足够内存
        
        Args:
            required_mb: 需要的内存(MB)
            
        Returns:
            是否有足够内存
        """
        available_memory = psutil.virtual_memory().available
        return available_memory >= required_mb * 1024 * 1024
    
    def optimize_memory(self):
        """优化内存使用"""
        print("优化内存使用...")
        
        # 强制执行垃圾回收
        gc.collect()
        
        # 清空numpy缓存
        try:
            np.clear_cache()
        except AttributeError:
            pass
        
        # 检查当前内存使用
        current_usage = self.get_memory_usage()
        print(f"当前内存使用率: {current_usage:.2%}")
        
        if current_usage > self.max_memory_usage:
            print("内存使用过高,建议减少批处理大小或使用模型量化")
    
    def calculate_batch_size(self, model_size_mb: int, available_memory_mb: int) -> int:
        """
        计算合适的批处理大小
        
        Args:
            model_size_mb: 模型大小(MB)
            available_memory_mb: 可用内存(MB)
            
        Returns:
            推荐的批处理大小
        """
        # 估计每个样本所需内存
        per_sample_memory = model_size_mb * 2  # 保守估计
        
        # 计算最大批处理大小
        max_batch_size = max(1, available_memory_mb // per_sample_memory)
        
        print(f"模型大小: {model_size_mb}MB")
        print(f"可用内存: {available_memory_mb}MB")
        print(f"推荐批处理大小: {max_batch_size}")
        
        return max_batch_size

# 使用示例
if __name__ == '__main__':
    optimizer = MemoryOptimizer()
    
    # 检查内存状态
    optimizer.optimize_memory()
    
    # 计算合适的批处理大小
    model_size = 500  # MB
    available_memory = psutil.virtual_memory().available / (1024 * 1024)
    
    batch_size = optimizer.calculate_batch_size(model_size, available_memory)
    print(f"建议批处理大小: {batch_size}")

8. 成果展示与应用场景

8.1 生成效果示例

以下是使用本教程实现的Stable Diffusion在边缘设备上生成的一些示例图像:

示例1 : "一座被雪山环绕的美丽湖泊,晨光照射"
示例2 : "未来城市景观,飞行汽车,霓虹灯"
示例3: "梵高风格的星空下的咖啡馆"

8.2 实际应用案例

  1. 智能相册生成: 在手机或平板电脑上离线生成个性化图像
  2. 教育辅助: 在教室环境中实时生成教学插图
  3. 设计原型: 快速生成设计概念和原型图像
  4. 艺术创作: 数字艺术家在移动设备上进行创作

技术图谱

OpenVINO SDK 模型优化 硬件加速 跨平台部署 量化压缩 图优化 层融合 CPU优化 GPU加速 VPU支持 Windows Linux macOS 边缘设备 FP16量化 INT8量化 常量折叠 死代码消除 Conv+ReLU融合 BatchNorm融合

通过本教程,您已经学会了如何在边缘设备上使用OpenVINO部署和运行Stable Diffusion模型,实现完全离线的文本到图像生成功能。这个解决方案不仅保护了数据隐私,还提供了低延迟的图像生成体验,非常适合在各种边缘计算场景中应用。

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