NVIDIA助力騰訊AI LAB打造一體AI生態(tài)

案例簡(jiǎn)介

? 本案例中通過使用NVIDIA T4 GPU和TensorRT，OpenGL，CUDA， CUDA/OpenGL interoperability等GPU軟件技術(shù)棧，助力騰訊AI LAB虛擬人項(xiàng)目在人臉生成階段達(dá)到了超過3倍的加速。

? 本案例主要應(yīng)用到 NVIDIA T4 GPU，TensorRT， OpenGL，CUDA， CUDA/OpenGL interoperability等AI加速平臺(tái)。

客戶簡(jiǎn)介及應(yīng)用背景

騰訊AI LAB致力于打造產(chǎn)學(xué)研用一體的 AI 生態(tài)，主要的研究方向包括計(jì)算機(jī)視覺、語音識(shí)別、自然語言處理和機(jī)器學(xué)習(xí)，結(jié)合騰訊場(chǎng)景與業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)，在社交AI，游戲AI，內(nèi)容AI及平臺(tái)AI等領(lǐng)域取得了顯著的成果，技術(shù)被應(yīng)用于微信、QQ、天天快報(bào)和QQ音樂等上百個(gè)騰訊產(chǎn)品。其中圍棋AI “絕藝” 多次獲得世界人工智能圍棋大賽的冠軍。

騰訊AI LAB打造的虛擬人，具有自然，生動(dòng)且飽含情緒的表情，其背后由一套騰訊 AI Lab 自研的復(fù)雜系統(tǒng)支撐，系統(tǒng)首先要從文本中提取不同信息，包括表情、情感、重音位置、和激動(dòng)程度等；之后，這些信息被輸入到模型中生成，再同步生成語音、口型和表情參數(shù)，最終才有了虛擬人自然生動(dòng)的表現(xiàn)。

客戶挑戰(zhàn)

根據(jù)虛擬人物需要表達(dá)的語言和情感，生成自然生動(dòng)的人臉，是打造虛擬人重要的一個(gè)階段。需要先渲染人臉的紋理圖和渲染圖，并將它們輸入到深度學(xué)習(xí)模型中，最終生成自然生動(dòng)的人臉。在這個(gè)過程中，需要用到OpenGL、OpenCV、CUDA、TensorFlow等軟件技術(shù)，騰訊原有的方案有很多CPU與GPU的數(shù)據(jù)交互，且有很多計(jì)算型的操作通過CPU來實(shí)現(xiàn)，效率非常低下， 無論是吞吐還是延時(shí)都不滿足要求，具體體現(xiàn)在：

OpenGL在GPU上渲染好圖像繪制到framebuffer后，需要先用glReadPixels拷貝數(shù)據(jù)到CPU，再用cudaMemcpy將數(shù)據(jù)從CPU拷回到GPU以進(jìn)行深度學(xué)習(xí)模型的推理，這里有兩次不必要的CPU與GPU之間的數(shù)據(jù)傳輸。

顏色空間轉(zhuǎn)換，深度學(xué)習(xí)推理的前后處理等操作在CPU上完成，效率非常低下。

應(yīng)用方案

NVIDIA 技術(shù)在虛擬人項(xiàng)目的渲染和推理階段均提供了強(qiáng)大的支持。在渲染階段，NVIDIA 助力提升了顏色空間轉(zhuǎn)換效率，降低整體延時(shí)，主要體現(xiàn)在：

用NVIDIA CUDA/OpenGL interoperability 代替騰訊之前使用glReadPixels在CUDA和OpenGL之間拷貝數(shù)據(jù)的方案，大幅減少了CPU和GPU之間的數(shù)據(jù)拷貝，從而降低了整體的延時(shí)。

把原來在CPU上做的顏色空間轉(zhuǎn)換的操作，遷移到NVIDIA T4 GPU上用CUDA kernel實(shí)現(xiàn)，利用GPU的并行優(yōu)勢(shì)，大大提高了顏色空間轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)一步降低了整體的延時(shí)。

將多幀的mesh組成一個(gè)batch分別繪制到framebuffer的不同區(qū)域，在提高OpenGL并行度的同時(shí)，給下一階段的深度學(xué)習(xí)模型的推理提供了更大的輸入數(shù)據(jù)的batch size，充分發(fā)揮NVIDIA T4 GPU高并發(fā)計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高GPU的利用率，從而提高整體的吞吐。

在推理階段，NVIDIA助力提高推理整體吞吐，降低推理延時(shí)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：用NVIDIA TensorRT替換TensorFlow對(duì)模型推理進(jìn)行加速，并利用NVIDIA T4 GPU上的FP16 Tensor Core可以極大提高矩陣乘等操作速度的特性，在最終視覺效果幾乎不變的情況下，進(jìn)一步提升推理的吞吐，降低推理延時(shí)。

用NVIDIA TensorRT替換TensorFlow對(duì)模型推理進(jìn)行加速，并利用NVIDIA T4 GPU上的FP16 Tensor Core可以極大提高矩陣乘等操作速度的特性，在最終視覺效果幾乎不變的情況下，進(jìn)一步提升推理的吞吐，降低推理延時(shí)。

在NVIDIA T4 GPU上利用CUDA kernel 替代原始流程中在CPU上使用OpenCV實(shí)現(xiàn) Mat-to-Tensor 和 Tensor-to-Mat 等格式轉(zhuǎn)換操作，并使用OpenCV-CUDA版替換OpenCV-CPU版的部分操作（如Resize等），充分發(fā)揮GPU相對(duì)于CPU更高的并發(fā)優(yōu)勢(shì)，在加速這些操作的同時(shí)減少GPU到CPU的數(shù)據(jù)傳輸通信量，提高格式轉(zhuǎn)換效率，降低端到端的推理延時(shí)。

通過Pipeline的方式，使GPU和CPU上的操作進(jìn)行overlap，并結(jié)合NVIDIA的MPS技術(shù)提高單卡上多個(gè)進(jìn)程同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)流的同時(shí)提高整體的吞吐。

使用效果及影響

在虛擬人項(xiàng)目中，NVIDIA CUDA技術(shù)大幅提升了渲染速度，NVIDIA TensorRT 方便快速地加速深度學(xué)習(xí)模型的推理，結(jié)合MPS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單卡多路推流，使整體推理效率達(dá)到了原來的三倍！性能的大幅提升，既提升了GPU的利用率，又降低了AI技術(shù)的使用成本。

審核編輯：郭婷