一背景

語義分割（Semantic Segmentation）是計算機(jī)視覺中的一項(xiàng)基本任務(wù)。與單張圖像分類任務(wù)相比，語義分割相當(dāng)于是像素級別上的分類任務(wù)。語義分割為許多下游應(yīng)用特別是近幾年來的智能駕駛技術(shù)的落地提供了可能。

本文將簡單介紹SegFormer的基本原理，同時指導(dǎo)如何導(dǎo)出ONNX模型，并將其部署在優(yōu)秀的端側(cè)AI芯片AX650N上，希望能給行業(yè)內(nèi)對邊緣側(cè)/端側(cè)部署Transformer模型的愛好者提供新的思路。

二SegFormer介紹

SegFormer的論文中提出了一個簡單、高效的語義分割方案，它將Transformers與輕量級多層感知（MLPs）解碼器結(jié)合起來。SegFormer有兩個吸引人的特點(diǎn)：

1SegFormer包含一個新的層次結(jié)構(gòu)的Transformer編碼器，輸出多尺度特征。它不需要位置編碼，這樣就不用對位置編碼做插值。

2SegFormer避免了復(fù)雜的解碼器。所提出的MLP解碼器從不同的層聚集信息，從而結(jié)合Local Attention和Global Attention來呈現(xiàn)強(qiáng)大的表示。這種簡單而輕量級的設(shè)計是用Transformer高效地做分割的關(guān)鍵。

論文中擴(kuò)展了上述方案，得到了一系列不同大小型號的模型，從SegFormer-B0到SegFormer-B5，相比之前的分割模型達(dá)到了更好的性能和效率。例如，SegFormer-B4在ADE20K上以64M參數(shù)實(shí)現(xiàn)了50.3%的mIoU，最佳模型SegFormer-B5在Cityscapes驗(yàn)證集上達(dá)到了84.0%的mIoU。

2.1 骨干網(wǎng)絡(luò)

backbone

2.2 分級Transformer編碼器

論文中提出了一系列的Mix Transformer編碼器（MiT），MiT-B0到MiT-B5，具有相同的結(jié)構(gòu)，但尺寸不同。MiT-B0是用于快速推理的輕量級模型，而MiT-B5是用于最佳性能的最大模型。設(shè)計的MiT部分靈感來自ViT，但針對語義分割進(jìn)行了定制和優(yōu)化。

2.3 輕量級All-MLP解碼器

集成了一個僅由MLP層組成的輕量級解碼器，這避免了其他方法中通常用的手工制作和計算要求很高的組件。實(shí)現(xiàn)這種簡單解碼器的關(guān)鍵是分級Transformer編碼器比傳統(tǒng)的CNN編碼器具有更大的有效感受野（ERF）。

benchmark

三AX650N

AX650N是一款兼具高算力與高能效比的SoC芯片，集成了八核Cortex-A55 CPU，10.8TOPs@INT8 NPU（針對 Transformer 模型進(jìn)行了定制優(yōu)化），支持8K@30fps的ISP，以及H.264、H.265編解碼的VPU。接口方面，AX650N支持64bit LPDDR4x，多路MIPI輸入，千兆Ethernet、USB、以及HDMI 2.0b輸出，并支持32路1080p@30fps解碼。強(qiáng)大的性能可以讓AX650N幫助用戶在智慧城市、智慧教育、智能制造等領(lǐng)域發(fā)揮更大的價值。

AX650N更多介紹請點(diǎn)擊下圖查看：

四

模型轉(zhuǎn)換

本文以segformer-b0-cityscapes-640-1280為例。

4.1 模型下載

這次我們推薦從Huggingface的ModelZoo下載模型。

huggingface

● ONNX模型導(dǎo)出的腳本

ONNX模型導(dǎo)出

import torch
from transformers import SegformerForSemanticSegmentation, SegformerFeatureExtractor
from pathlib import Path
from onnxruntime.quantization import quantize_dynamic, QuantType, preprocess
import onnx
import onnxruntime
import os
from PIL import Image
from typing import List


def export_model(model_name: str, export_dir: str, input_sample: torch.Tensor):
  model = SegformerForSemanticSegmentation.from_pretrained(model_name)
  model.eval()
  export_path = os.path.join(export_dir, model_name)
  Path(export_path).mkdir(parents=True, exist_ok=True)
  onnx_path = os.path.join(export_path, "model.onnx")
  # export the model to ONNX while preserving the first dimension as dynamic
  torch.onnx.export(model, input_sample, onnx_path, export_params=True, 
            opset_version=11,
            input_names=["input"],
            output_names=["output"],
            )


export_dir = "./hf_export/"


model_name = "nvidia/segformer-b0-finetuned-cityscapes-640-1280"
export_model(model_name, export_dir, torch.randn([1,3,640,1280]))


# model_name = "nvidia/segformer-b1-finetuned-ade-512-512"
# export_model(model_name, export_dir, torch.randn([1,3,512,512]))
# check_models(model_name, export_dir, image_paths)

● onnxsim優(yōu)化

$ onnxsim segformer-b0-cityscapes-640-1280.onnx segformer-b0-cityscapes-640-1280-sim.onnx
Simplifying...
Finish! Here is the difference:
┏━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓
┃      ┃ Original Model ┃ Simplified Model ┃
┡━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━┩
│ Add    │ 136      │ 136       │
│ Concat   │ 21       │ 1        │
│ Constant  │ 176      │ 0        │
│ Conv    │ 20       │ 20        │
│ Div    │ 46       │ 46        │
│ Erf    │ 8       │ 8        │
│ MatMul   │ 68       │ 68        │
│ Mul    │ 46       │ 46        │
│ Pow    │ 30       │ 30        │
│ ReduceMean │ 60       │ 60        │
│ Relu    │ 1       │ 1        │
│ Reshape  │ 76       │ 76        │
│ Resize   │ 4       │ 4        │
│ Shape   │ 20       │ 0        │
│ Slice   │ 20       │ 0        │
│ Softmax  │ 8       │ 8        │
│ Sqrt    │ 30       │ 30        │
│ Sub    │ 30       │ 30        │
│ Transpose │ 76       │ 76        │
│ Model Size │ 14.3MiB    │ 14.3MiB     │
└────────────┴────────────────┴──────────────────┘

● 添加argmax輸出頭

由于AX650N的NPU支持argmax算子，因此可以將argmax添加到該模型的輸出頭，直接獲取每個像素點(diǎn)置信度最高的類別ID。

首先安裝onnx_graphsurgeon依賴：

pip install onnx_graphsurgeon --index-url https://pypi.ngc.nvidia.com

運(yùn)行下面的腳本，添加argmax op:

import numpy as np
import onnx
import onnx_graphsurgeon as gs


model_path = "./segformer-b0-cityscapes-640-1280-sim.onnx"
output_model_path = "./segformer-b0-cityscapes-640-1280-sim-argmax.onnx"


onnx_model = onnx.load(model_path)
onnx_graph = gs.import_onnx(onnx_model)
node_last_conv = onnx_graph.nodes[-1]


# Attrs for ArgMax
axis = 1
keepdims = 1


argmax_out_shape = node_last_conv.outputs[0].shape.copy()
argmax_out_shape[axis] = 1


argmax_out = gs.Variable(
  "argmax_output",
  dtype=np.int64,
  shape=argmax_out_shape,
)


argmax_node = gs.Node(
  op="ArgMax",
  name="decode_head_ArgMax",
  inputs=[node_last_conv.outputs[0]],
  outputs=[argmax_out],
  attrs={"axis": axis, "keepdims": keepdims},
)


onnx_graph.nodes.append(argmax_node)
onnx_graph.outputs.clear()
onnx_graph.outputs = [argmax_out]
onnx_graph.cleanup().toposort()
onnx_model_with_argmax = gs.export_onnx(onnx_graph)
onnx_model_with_argmax.ir_version = onnx_model.ir_version


onnx.save(onnx_model_with_argmax, output_model_path)

添加argmax前后兩個ONNX模型對比：

add-argmax

4.2 模型編譯

使用AX650N配套的AI工具鏈Pulsar2，一鍵完成圖優(yōu)化、離線量化、編譯、對分功能。

$ pulsar2 build --input model/segformer-b0-cityscapes-640-1280-sim-argmax.onnx --output_dir segformer/ --config config/seg          former_config.json --npu_mode NPU3
Building onnx ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 100% 0:00:00
patool: Extracting ./dataset/coco_4.tar ...
patool: running /usr/bin/tar --extract --file ./dataset/coco_4.tar --directory segformer/quant/dataset/input
patool: ... ./dataset/coco_4.tar extracted to `segformer/quant/dataset/input'.
                                       Quant Config Table
┏━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓
┃ Input ┃ Shape       ┃ Dataset Directory ┃ Data Format ┃ Tensor Format ┃ Mean                     ┃ Std                     ┃
┡━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┩
│ input │ [1, 3, 640, 1280] │ input       │ Image    │ RGB      │ [123.67500305175781, 116.27999877929688,   │ [58.39500045776367, 57.119998931884766,   │
│    │          │          │       │        │ 103.52999877929688]              │ 57.356998443603516]             │
└───────┴───────────────────┴───────────────────┴─────────────┴───────────────┴───────────────────────────────────────────────┴──────────────────────────────────────────────┘
4 File(s) Loaded.
[14:17:44] AX LSTM Operation Format Pass Running ...   Finished.
[14:17:44] AX Refine Operation Config Pass Running ...  Finished.
[14:17:44] AX Transformer Optimize Pass Running ...    Finished.
[14:17:45] AX Reset Mul Config Pass Running ...      Finished.
[14:17:45] AX Tanh Operation Format Pass Running ...   Finished.
[14:17:45] AX Quantization Config Refine Pass Running ... Finished.
[14:17:45] AX Quantization Fusion Pass Running ...    Finished.
[14:17:45] AX Quantization Simplify Pass Running ...   Finished.
[14:17:45] AX Parameter Quantization Pass Running ...   Finished.
Calibration Progress(Phase 1): 100%|████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 4/4 [00:23<00:00, ?5.86s/it]
Finished.
[1411] AX Passive Parameter Quantization Running ... ?Finished.
[1411] AX Parameter Baking Pass Running ... ? ? ? ? ? Finished.
[1412] AX Refine Int Parameter Pass Running ... ? ? ? Finished.
Network Quantization Finished.
quant.axmodel export success: segformer/quant/quant_axmodel.onnx
Building native ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 100% 000
......
2023-05-30 1418.661 | INFO ? ? | yasched.test_onepass1615 - max_cycle = 37883954
2023-05-30 14:35:04.545 | INFO ? ? | yamain.command.build904 - fuse 1 subgraph(s)

五上板部署

5.1 AX-Samples

開源項(xiàng)目AX-Samples實(shí)現(xiàn)了常見的深度學(xué)習(xí)開源算法在愛芯元智的AI SoC上的示例代碼，方便社區(qū)開發(fā)者進(jìn)行快速評估和適配。最新版本已開始提供AX650系列的NPU示例，其中也包含了本文介紹的SegFormer參考代碼。

https://github.com/AXERA-TECH/ax-samples/blob/main/examples/ax650/ax_segformer_steps.cc

5.2 運(yùn)行

# ./ax_segformer -m segformer-b0-cityscapes-640-1280-argmax.axmodel -i segformer_test.png
--------------------------------------
model file : segformer-b0-cityscapes-640-1280-argmax.axmodel
image file : segformer_test.png
img_h, img_w : 640 1280
--------------------------------------
post process cost time:7.07 ms
--------------------------------------
Repeat 1 times, avg time 48.15 ms, max_time 48.15 ms, min_time 48.15 ms
--------------------------------------
--------------------------------------

Segformer運(yùn)行結(jié)果展示

六后續(xù)計劃

●嘗試部署視覺大模型DINOv2，敬請期待！