分割一切？Segment Anything量化加速实战
01 一、前言
“分割一切,大家一起失业！”——近期，这样一句话在社交媒体上大火！这讲的就是segment anything model（简称 “sam” ）。sam 到底是什么？它具备哪些功能？它真的有这么强大吗？让我们一起通过本文了解详情！
sam 是一个由 meta ai 实验室推出的强大人工智能图像分割应用，可以自动识别哪些图像像素属于一个对象，并且对图像中各个对象进行自动风格处理，可广泛用于分析科学图像、编辑照片等。
sam 的完整应用由一个图片编码器模型（encoder）以及掩码解码（mask decoder） + 提示编码模型（prompt encoder）构成，这两部分都可以被解析为独立的静态模型。其中大部分的算力负载和推理延时都集中在图片编码器任务，因此如果进一步提升图片编码器部分的执行效率，就成为了 sam 应用的主要优化方向之一。
图：sam 模型任务pipeline
本次分享讲重点演示如何通过 openvino 的 nncf 模型压缩工具实现对 sam 编码器部分的量化压缩，实现在 cpu 侧的性能提升。
02 量化介绍
在正式开始实战之前，我们不得不提一下量化的概念，量化是指在不改变模型结构的情况下，将模型参数的表达区间从 fp32 映射到 int8 或是 int4 范围，用更小数值位宽来表示相同的信息，实现对于模型体积的压缩，降低内存消耗，同时在模型网络的执行过程中，系统会自动调用硬件平台专门针对低比特数据优化的指令集或 kernel 函数，提升性能。
图：不同精度数据的表示位宽
intel avx512 vnni 扩展指令集实现了将原本需要3个时钟周期才能完成的int8矩阵点乘与加法运算压缩到一个时钟周期，而在最新的 amx 指令集更是将多个 vnni 模块进行堆叠实现了单周期内成倍的性能提升。
图：int8 矩阵点乘与加法运算指令集优化
03 nncf 训练后量化模式
nncf 工具的全称是 neural network compression framework，是 openvino 工具链中专门用于模型压缩加速的方案实现，包含量化，剪枝，二值化等多种模型压缩算法，调用方式又可以分化为训练后量化 (ptq) 和 训练时压缩 (qat) 两种模式，训练时压缩要需要引入原始的训练脚本和数据集，而训练后量化则可以直接针对训练生成模型文件进行压缩，无需额外的训练脚本和标注数据集参与，这也是 nncf 在 openvino 2023.0 正式发布的新功能特性, 而这个模式也仅仅需要以下两步便可实现：
1.准备校验数据集，这里的校验数据仅用作量化过程中对数据表示范围与分布的计算，因此不需要额外的标签数据，例如在图像识别任务中，我们仅需要送入200-300张左右的图片文件即可。此外我们还需要定义 dataloader 对象与 transform_fn 数据转换函数， dataloader 用于读取校验数据集中的每一个元素，transform_fn 用于将读取的元素转化为 openvino 模型推理的直接输入数据。
import nncf
calibration_loader = torch.utils.data.dataloader(...)
def transform_fn(data_item):
images, _ = data_item
return images
calibration_dataset = nncf.dataset(calibration_loader,transform_fn)
2.运行模型量化，首先需要导入模型对象，然后通过 nncf.quantize() 接口，将模型对象与校验数据集绑定开启量化任务， nncf 工具可以支持多种模型对象类型，包含openvino.runtime.model, torch.nn.module, onnx.modelproto以及 tensorflow.module
model = ... #openvino/onnx/pytorch/tf object
quantized_model = nncf.quantize(model, calibration_dataset)
3.（可选）准确性控制模式，如果发现 nncf 在默认模式下的导出的模型准确性下降超过预期，我们也可以使用准确性控制模式（accuracy control）完成训练后量化，此时我们需要加入带标签的测试集数据，用来评估模型在量化过程中哪些 layer 对模型准确性损失的影响（敏感度）比较大，并作为排序依据，依次将这些 layer 回退至原始精度，直到模型符合预期准确性表现。通过这个模式，我们可以在保证模型准确性的情况下，尽可能压缩模型体积，实现性能和准确性之间的平衡。具体方法可以参考以下链接：
https://docs.openvino.ai/nightly/quantization_w_accuracy_control.html
04 segment anything + nncf实战
接下来让我们具体一步步看下如何使用 nncf 的 ptq 模式完成 sam encoder 的量化。
1.定义数据加载器
本示例使用 coco128 作为校验数据集，其中包含 128 张 .jpg 格式的图片。由于在量化 onnx 或 ir 静态模型的情况下，数据加载器必须是一个 torch 的 dataloader 类，因此这里我们需要继承 torch.utils.data.dataset 并重新构建一个数据集类，其中必须包含__getitem__方法，用于遍历数据集中的每一个对象，__len__用于获取数据集的对象数量，最后再通过 torch.utils.data.dataloader 方法生成数据加载器。
class cocoloader(data.dataset):
def __init__(self, images_path):
self.images = list(path(images_path).iterdir())
def __getitem__(self, index):
image_path = self.images[index]
image = cv2.imread(str(image_path))
image = cv2.cvtcolor(image, cv2.color_bgr2rgb)
return image
def __len__(self):
return len(self.images)
coco_dataset = cocoloader(out_dir / 'coco128/images/train2017')
calibration_loader = torch.utils.data.dataloader(coco_dataset)
2.定义数据格式转化模块
下一步是定义数据转化模块，我们可以调用之前定义 preprocess_image 函数完成数据的预处理，值得注意的是由于 calibration_loader 模块返回的单个数据对象为 torch tensor 类型 ，而 openvino 的 python 接口不支持该类型数据，我们需要先将其强制转化为 numpy 格式。
def transform_fn(image_data):
image = image_data.numpy()
processed_image = preprocess_image(np.squeeze(image))
return processed_image
calibration_dataset = nncf.dataset(calibration_loader, transform_fn)
3.运行 nncf 量化
为了确保量化后的模型准确性，这里我们使用原始的 fp32 onnx 格式模型作为输入对象，而不是 fp16 的 ir 格式模型，然后再将该对象送入 nncf.quantize 接口执行量化，该函数接口中有几个比较重要的额外参数：
# load fp32 onnx model
model = core.read_model(onnx_encoder_path)
quantized_model = nncf.quantize(model,
calibration_dataset,
model_type=nncf.parameters.modeltype.transformer,
preset=nncf.common.quantization.structs.quantizationpreset.mixed)
ov_encoder_path_int8 = sam_image_encoder_int8.xml
serialize(quantized_model, ov_encoder_path_int8)
model_type：模型类别，用于开启特殊的量化策略，例如在类 transformer 模型中，我们需要优先保证模型的准确性。
preset：量化模式，默认为 performance，使用对卷积的权重和偏置均采用对称量化算法，有助于提升模型性能，此处为了提升模型准确性，我们采用 mixed 模式，采用权重对称量化，偏置非对称量化的方法，适合模型中包含非 relu 或者非对称的激活层。
由于 sam encoder 模型的网络结构比较复杂，而量化过程中我们需要多次遍历模型每一个 layer 的参数，所以量化耗时相对会长一些，请大家耐心等待。这边建议使用 32g 以上内存的硬件设备，如果遇到内存不够的情况，可以通过 subset_size=100 参数，适当降低校验数据数量。
4.模型准确性比较
接下来我们比较下 int8 和 fp16 模型的推理结果：
图：prompt 模式 fp16 – int8 结果比较
图：auto 模式 fp16 – int8 结果比较
可以看到在 prompt 和 auto 模式下，int8 模型的准确性相较 fp16 模型，几乎没有任何变化。
注：auto 模式下，mask 将使用随机生成的颜色。
5.性能比较
最后我们通过 openvino 自带的 benchmark_app 工具比较下性能指标：
图：benchmark 结果 （fp16）
图：benchmark 结果 （int8）
可以看到在 cpu 端，int8 模型相较 fp16 提升了大约 30%， 体积从原本的 350mb 压缩到了 100mb 不到。
05 总结
鉴于 sam 出色的自动化分割能力，相信未来会有越来越多应用场景会部署这项技术，而在产业化落地的过程中，开发者往往最关注的就是性能和准确性之间的平衡，以此获取成本更优的方案。openvino nncf 工具通过对 segment anything encoder 部分的量化压缩，在几乎没有影响模型准确性的情况下，显著提升模型的运行效率，降低模型占用空间。
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sam 是一个由 meta ai 实验室推出的强大人工智能图像分割应用，可以自动识别哪些图像像素属于一个对象，并且对图像中各个对象进行自动风格处理，可广泛用于分析科学图像、编辑照片等。
sam 的完整应用由一个图片编码器模型（encoder）以及掩码解码（mask decoder） + 提示编码模型（prompt encoder）构成，这两部分都可以被解析为独立的静态模型。其中大部分的算力负载和推理延时都集中在图片编码器任务，因此如果进一步提升图片编码器部分的执行效率，就成为了 sam 应用的主要优化方向之一。
图：sam 模型任务pipeline
本次分享讲重点演示如何通过 openvino 的 nncf 模型压缩工具实现对 sam 编码器部分的量化压缩，实现在 cpu 侧的性能提升。
02 量化介绍
在正式开始实战之前，我们不得不提一下量化的概念，量化是指在不改变模型结构的情况下，将模型参数的表达区间从 fp32 映射到 int8 或是 int4 范围，用更小数值位宽来表示相同的信息，实现对于模型体积的压缩，降低内存消耗，同时在模型网络的执行过程中，系统会自动调用硬件平台专门针对低比特数据优化的指令集或 kernel 函数，提升性能。
图：不同精度数据的表示位宽
intel avx512 vnni 扩展指令集实现了将原本需要3个时钟周期才能完成的int8矩阵点乘与加法运算压缩到一个时钟周期，而在最新的 amx 指令集更是将多个 vnni 模块进行堆叠实现了单周期内成倍的性能提升。
图：int8 矩阵点乘与加法运算指令集优化
03 nncf 训练后量化模式
nncf 工具的全称是 neural network compression framework，是 openvino 工具链中专门用于模型压缩加速的方案实现，包含量化，剪枝，二值化等多种模型压缩算法，调用方式又可以分化为训练后量化 (ptq) 和 训练时压缩 (qat) 两种模式，训练时压缩要需要引入原始的训练脚本和数据集，而训练后量化则可以直接针对训练生成模型文件进行压缩，无需额外的训练脚本和标注数据集参与，这也是 nncf 在 openvino 2023.0 正式发布的新功能特性, 而这个模式也仅仅需要以下两步便可实现：
1.准备校验数据集，这里的校验数据仅用作量化过程中对数据表示范围与分布的计算，因此不需要额外的标签数据，例如在图像识别任务中，我们仅需要送入200-300张左右的图片文件即可。此外我们还需要定义 dataloader 对象与 transform_fn 数据转换函数， dataloader 用于读取校验数据集中的每一个元素，transform_fn 用于将读取的元素转化为 openvino 模型推理的直接输入数据。
import nncf
calibration_loader = torch.utils.data.dataloader(...)
def transform_fn(data_item):
images, _ = data_item
return images
calibration_dataset = nncf.dataset(calibration_loader,transform_fn)
2.运行模型量化，首先需要导入模型对象，然后通过 nncf.quantize() 接口，将模型对象与校验数据集绑定开启量化任务， nncf 工具可以支持多种模型对象类型，包含openvino.runtime.model, torch.nn.module, onnx.modelproto以及 tensorflow.module
model = ... #openvino/onnx/pytorch/tf object
quantized_model = nncf.quantize(model, calibration_dataset)
3.（可选）准确性控制模式，如果发现 nncf 在默认模式下的导出的模型准确性下降超过预期，我们也可以使用准确性控制模式（accuracy control）完成训练后量化，此时我们需要加入带标签的测试集数据，用来评估模型在量化过程中哪些 layer 对模型准确性损失的影响（敏感度）比较大，并作为排序依据，依次将这些 layer 回退至原始精度，直到模型符合预期准确性表现。通过这个模式，我们可以在保证模型准确性的情况下，尽可能压缩模型体积，实现性能和准确性之间的平衡。具体方法可以参考以下链接：
https://docs.openvino.ai/nightly/quantization_w_accuracy_control.html
04 segment anything + nncf实战
接下来让我们具体一步步看下如何使用 nncf 的 ptq 模式完成 sam encoder 的量化。
1.定义数据加载器
本示例使用 coco128 作为校验数据集，其中包含 128 张 .jpg 格式的图片。由于在量化 onnx 或 ir 静态模型的情况下，数据加载器必须是一个 torch 的 dataloader 类，因此这里我们需要继承 torch.utils.data.dataset 并重新构建一个数据集类，其中必须包含__getitem__方法，用于遍历数据集中的每一个对象，__len__用于获取数据集的对象数量，最后再通过 torch.utils.data.dataloader 方法生成数据加载器。
class cocoloader(data.dataset):
def __init__(self, images_path):
self.images = list(path(images_path).iterdir())
def __getitem__(self, index):
image_path = self.images[index]
image = cv2.imread(str(image_path))
image = cv2.cvtcolor(image, cv2.color_bgr2rgb)
return image
def __len__(self):
return len(self.images)
coco_dataset = cocoloader(out_dir / 'coco128/images/train2017')
calibration_loader = torch.utils.data.dataloader(coco_dataset)
2.定义数据格式转化模块
下一步是定义数据转化模块，我们可以调用之前定义 preprocess_image 函数完成数据的预处理，值得注意的是由于 calibration_loader 模块返回的单个数据对象为 torch tensor 类型 ，而 openvino 的 python 接口不支持该类型数据，我们需要先将其强制转化为 numpy 格式。
def transform_fn(image_data):
image = image_data.numpy()
processed_image = preprocess_image(np.squeeze(image))
return processed_image
calibration_dataset = nncf.dataset(calibration_loader, transform_fn)
3.运行 nncf 量化
为了确保量化后的模型准确性，这里我们使用原始的 fp32 onnx 格式模型作为输入对象，而不是 fp16 的 ir 格式模型，然后再将该对象送入 nncf.quantize 接口执行量化，该函数接口中有几个比较重要的额外参数：
# load fp32 onnx model
model = core.read_model(onnx_encoder_path)
quantized_model = nncf.quantize(model,
calibration_dataset,
model_type=nncf.parameters.modeltype.transformer,
preset=nncf.common.quantization.structs.quantizationpreset.mixed)
ov_encoder_path_int8 = sam_image_encoder_int8.xml
serialize(quantized_model, ov_encoder_path_int8)
model_type：模型类别，用于开启特殊的量化策略，例如在类 transformer 模型中，我们需要优先保证模型的准确性。
preset：量化模式，默认为 performance，使用对卷积的权重和偏置均采用对称量化算法，有助于提升模型性能，此处为了提升模型准确性，我们采用 mixed 模式，采用权重对称量化，偏置非对称量化的方法，适合模型中包含非 relu 或者非对称的激活层。
由于 sam encoder 模型的网络结构比较复杂，而量化过程中我们需要多次遍历模型每一个 layer 的参数，所以量化耗时相对会长一些，请大家耐心等待。这边建议使用 32g 以上内存的硬件设备，如果遇到内存不够的情况，可以通过 subset_size=100 参数，适当降低校验数据数量。
4.模型准确性比较
接下来我们比较下 int8 和 fp16 模型的推理结果：
图：prompt 模式 fp16 – int8 结果比较
图：auto 模式 fp16 – int8 结果比较
可以看到在 prompt 和 auto 模式下，int8 模型的准确性相较 fp16 模型，几乎没有任何变化。
注：auto 模式下，mask 将使用随机生成的颜色。
5.性能比较
最后我们通过 openvino 自带的 benchmark_app 工具比较下性能指标：
图：benchmark 结果 （fp16）
图：benchmark 结果 （int8）
可以看到在 cpu 端，int8 模型相较 fp16 提升了大约 30%， 体积从原本的 350mb 压缩到了 100mb 不到。
05 总结
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