在英特爾酷睿Ultra處理器上優(yōu)化和部署YOLOv8模型

英特爾 酷睿 Ultra處理器是英特爾公司推出的一個高端處理器品牌，其第一代產(chǎn)品基于Meteor Lake架構(gòu)，使用Intel 4制程，單顆芯片封裝了 CPU、GPU(Intel Arc Graphics)和 NPU(Intel AI Boost)，具有卓越的AI性能。

本文將詳細(xì)介紹使用OpenVINO工具套件在英特爾 酷睿Ultra處理器上實現(xiàn)對YOLOv8模型的INT8量化和部署。

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第一步：環(huán)境搭建

首先，請下載并安裝最新版的NPU和顯卡驅(qū)動：

NPU 驅(qū)動：https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/download/794734/intel-npu-driver-windows.html

顯卡驅(qū)動：

https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/download/785597/intel-arc-iris-xe-graphics-windows.html

然后，請下載并安裝Anaconda，然后創(chuàng)建并激活名為npu的虛擬環(huán)境：（下載鏈接：https://www.anaconda.com/download）

conda create -n npu python=3.11    #創(chuàng)建虛擬環(huán)境
conda activate npu           #激活虛擬環(huán)境
python -m pip install --upgrade pip  #升級pip到最新版本

最后，請安裝openvino、nncf、onnx和ultralytics：

pip install openvino nncf onnx ultralytics

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第二步：導(dǎo)出yolov8s模型并實現(xiàn)INT8量化

使用yolo命令導(dǎo)出yolov8s.onnx模型：

yolo export model=yolov8s.pt format=onnx

使用ovc命令導(dǎo)出OpenVINO格式，F(xiàn)P16精度的yolov8s模型

ovc yolov8s.onnx

使用benchmark_app程序依次測試FP16精度的yolov8s模型在CPU，GPU和NPU上的AI推理性能，結(jié)果如下圖所示：

benchmark_app -m yolov8s.xml -d CPU  #此處依次換為GPU，NPU

用NNCF實現(xiàn)yolov8s模型的INT8量化

NNCF全稱Neural Network Compression Framework，是一個實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后量化(post-training quantization)和訓(xùn)練期間壓縮(Training-Time Compression)的開源工具包，如下圖所示，通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的量化和壓縮以最低精度損失的方式實現(xiàn)推理計算的優(yōu)化和加速。

NNCF提供的量化和壓縮算法

在上述量化和壓縮算法中，訓(xùn)練后INT8量化(Post-Training INT8 Quantization)是在工程實踐中應(yīng)用最廣泛的，它無需重新訓(xùn)練或微調(diào)模型，就能實現(xiàn)模型權(quán)重的INT8量化，在獲得顯著的性能提升的同時，僅有極低的精度損失，而且使用簡便。

用NNCF實現(xiàn)YOLOv8s模型INT8量化的范例代碼yolov8_PTQ_INT8.py，如下所示：

import torch, nncf
import openvino as ov 
from torchvision import datasets, transforms
# Specify the path of model and dataset
model_dir = r"yolov8s.xml"
dataset = r"val_dataset"
# Instantiate your uncompressed model
model = ov.Core().read_model(model_dir)
# Provide validation part of the dataset to collect statistics needed for the compression algorithm
val_dataset = datasets.ImageFolder(dataset, transform=transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Resize([640, 640])]))
dataset_loader = torch.utils.data.DataLoader(val_dataset, batch_size=1)
# Step 1: Initialize transformation function
def transform_fn(data_item):
  images, _ = data_item
  return images.numpy()
# Step 2: Initialize NNCF Dataset
calibration_dataset = nncf.Dataset(dataset_loader, transform_fn)
# Step 3: Run the quantization pipeline
quantized_model = nncf.quantize(model, calibration_dataset)
# Step 4: Save the INT8 quantized model
ov.save_model(quantized_model, "yolov8s_int8.xml")

運行yolov8_PTQ_INT8.py，執(zhí)行結(jié)果如下所示：

使用benchmark_app程序依次測試INT8精度的yolov8s模型在CPU，GPU和NPU上的AI推理性能，結(jié)果如下圖所示：

benchmark_app -m yolov8s_int8.xml -d CPU  #此處依次換為GPU，NPU

從上圖可以看出，yolov8s模型經(jīng)過INT8量化后，相比FP16精度模型，無論在Latency還是Throughput上，都有明顯提升。

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第三步：編寫YOLOv8推理程序

yolov8目標(biāo)檢測模型使用letterbox算法對輸入圖像進(jìn)行保持原始寬高比的放縮，據(jù)此，yolov8目標(biāo)檢測模型的預(yù)處理函數(shù)實現(xiàn)，如下所示：

from ultralytics.data.augment import LetterBox
# 實例化LetterBox
letterbox = LetterBox()
# 預(yù)處理函數(shù)
def preprocess_image(image: np.ndarray, target_size=(640, 640))->np.ndarray:
  image = letterbox(image)  #YOLOv8用letterbox按保持圖像原始寬高比方式放縮圖像
  blob = cv2.dnn.blobFromImage(image, scalefactor=1 / 255, size=target_size, swapRB=True)
  return blob

yolov8目標(biāo)檢測模型的后處理函數(shù)首先用非極大值抑制non_max_suppression()算法去除冗余候選框，然后根據(jù)letterbox的放縮方式，用scale_boxes()函數(shù)將檢測框的坐標(biāo)點還原到原始圖像上，如下所示：

# 后處理函數(shù): 從推理結(jié)果[1,84,8400]的張量中拆解出：檢測框，置信度和類別
def postprocess(pred_boxes, input_hw, orig_img, min_conf_threshold = 0.25, 
         nms_iou_threshold = 0.7, agnosting_nms = False, max_detections = 300):
  # 用非極大值抑制non_max_suppression()算法去除冗余候選框
  nms_kwargs = {"agnostic": agnosting_nms, "max_det":max_detections}
  pred = ops.non_max_suppression(
    torch.from_numpy(pred_boxes),
    min_conf_threshold,
    nms_iou_threshold,
    nc=80,
    **nms_kwargs
  )[0]
  # 用scale_boxes()函數(shù)將檢測框的坐標(biāo)點還原到原始圖像上
  shape = orig_img.shape
  pred[:, :4] = ops.scale_boxes(input_hw, pred[:, :4], shape).round()
  
  return pred

完整代碼詳細(xì)參見：yolov8_infer_ov.py，其運行結(jié)果如下所示：

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總結(jié)

英特爾 酷睿 Ultra處理器內(nèi)置了CPU、GPU和NPU，相比之前，無論是能耗比、顯卡性能還是AI性能，都有顯著提升；通過OpenVINO和NNCF，可以方便快捷實現(xiàn)AI模型的優(yōu)化和INT量化，以及本地化部署，獲得非常不錯的端側(cè)AI推理性能。

審核編輯：劉清