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语义分割模型自动压缩示例

1.简介
2.Benchmark
3.开始自动压缩
4.预测部署
5.FAQ

1.简介

本示例将以语义分割模型PP-Liteseg为例，介绍如何使用PaddleSlim中的ACT压缩工具型进行自动压缩。本示例使用的自动压缩策略为量化蒸馏训练。

2.Benchmark

模型	策略	Total IoU (%)	CPU耗时(ms) thread=12 mkldnn=on	Nvidia GPU耗时(ms) TRT=on	配置文件	Inference模型
OCRNet_HRNetW48	Baseline	82.16	5788.7	153.0	-	mode
OCRNet_HRNetW48	量化蒸馏训练	82.02	5291.4	60.0	config	model
SegFormer-B0*	Baseline	75.27	3234.6	72.6	-	model
SegFormer-B0*	量化蒸馏训练	75.26	2906.2	52.4	config	model
PP-LiteSeg-Tiny	Baseline	77.04	1038.4	11.7	-	model
PP-LiteSeg-Tiny	量化蒸馏训练	77.16	1163.8	7.2	config	model
PP-MobileSeg-Base	Baseline	40.69	547.7	22.3	-	model
PP-MobileSeg-Base	量化蒸馏训练	38.18	439.8	21.1	config	model
PP-MobileSeg-Base	量化蒸馏训练（关闭IR优化）	39.92	1296.3	44.3	-	model

PP-MobileSeg-Base is tested on ADE20K dataset, while others are tested on cityscapes.

CPU测试环境：
- Intel(R) Xeon(R) Gold 6148 CPU @ 2.40GHz
- cpu thread: 10
Nvidia GPU测试环境：
- 硬件：NVIDIA Tesla V100 单卡
- 软件：CUDA 11.2, cudnn 8.1.0, TensorRT-8.0.3.4
- 测试配置：batch_size: 1
测速要求：
- 批量测试取平均：单张图片上测速时间会有浮动，因此测速需要跑10遍warmup，再跑100次取平均。现有test_seg的批量测试已经集成该功能。
- 确认TRT加速：检查下int8模型是否开启了trt int8模式，确认预测中有没有trt pass，比如看下有无这个pass：trt_delete_weight_dequant_linear_op_pass
- 确认是否开启了动态shape的功能？如果是，则需要跑两遍，第一次会在采集shape大小，需要以第二次的时间为准，

下面将以开源数据集为例介绍如何对PP-Liteseg进行自动压缩。

3. 自动压缩流程

3.1 准备环境

PaddlePaddle == develop （可从Paddle官网下载安装）
PaddleSlim == develop
PaddleSeg == develop

安装paddlepaddle：

# CPU
python -m pip install paddlepaddle==0.0.0 -f https://www.paddlepaddle.org.cn/whl/linux/cpu-mkl/develop.html
# GPU 以Ubuntu、CUDA 11.2为例
python -m pip install paddlepaddle-gpu==0.0.0.post112 -f https://www.paddlepaddle.org.cn/whl/linux/gpu/develop.html

安装paddleslim develop：

git clone https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSlim.git & cd PaddleSlim
python setup.py install

安装paddleseg develop和对应包：

cd ..
git clone https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSeg.git -b develop
cd PaddleSeg/
python setup.py install

3.2 准备数据集

开发者可下载开源数据集 (如Cityscapes) 或参考PaddleSeg数据准备文档来自定义语义分割数据集。
本示例使用示例开源数据集 Cityscapes 数据集为例介绍如何对PP-Liteseg-Tiny进行自动压缩。示例数据集仅用于快速跑通自动压缩流程，并不能复现出 benckmark 表中的压缩效果。下载链接
准备好数据后，需要放入到deploy/slim/act/data/cityscapes目录下。

3.3 准备预测模型

通过下面的指令可以对ppliteseg-tiny的模型进行导出，其他的模型导出可以参照导出指南：

cd PaddleSeg/
wget https://paddleseg.bj.bcebos.com/dygraph/cityscapes/pp_liteseg_stdc1_cityscapes_1024x512_scale1.0_160k/model.pdparams

python tools/export.py --config configs/pp_liteseg/pp_liteseg_stdc1_cityscapes_1024x512_scale0.5_160k.yml --model_path model.pdparams  --save_dir ppliteseg_tiny_scale1.0_export

导出模型后，需要指定模型路径到配置文件中的 model_filename 和 params_filename。
预测模型的格式为：model.pdmodel 和 model.pdiparams两个，带pdmodel的是模型文件，带pdiparams后缀的是权重文件。

3.4 自动压缩并产出模型

自动压缩示例通过run_seg.py脚本启动，会使用接口 paddleslim.auto_compression.AutoCompression 对模型进行自动压缩。首先要配置config文件中模型路径、数据集路径、蒸馏、量化、稀疏化和训练等部分的参数，配置完成后便可对模型进行非结构化稀疏、蒸馏和量化、蒸馏。

自行配置量化参数进行量化蒸馏训练，配置参数含义详见自动压缩超参文档。具体命令如下所示：

# 单卡启动
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0
cd PaddleSeg/deploy/slim/act/
python run_seg.py \
      --act_config_path='./configs/ppliteseg/ppliteseg_qat.yaml' \
      --save_dir='./save_quant_model_qat'  \
      --config_path="configs/datasets/pp_liteseg_1.0_data.yml"

# 多卡启动
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1
cd PaddleSeg/deploy/slim/act/
python -m paddle.distributed.launch run_seg.py \
      --act_config_path='./configs/ppliteseg/ppliteseg_qat.yaml' \
      --save_dir='./save_quant_model_qat'  \
      --config_path="configs/datasets/pp_liteseg_1.0_data.yml"

压缩完成后会在save_dir中产出压缩好的预测模型，可直接预测部署。

4.预测部署

4.1 Paddle Inference 验证性能

输出的量化模型也是静态图模型，静态图模型在GPU上可以使用TensorRT进行加速，在CPU上可以使用MKLDNN进行加速。预测可以参考预测文档。

TensorRT预测环境配置：

如果使用 TesorRT 预测引擎，需安装 WITH_TRT=ON 的Paddle，上述paddle下载的2.5满足打开TensorRT编译的要求。
使用TensorRT预测需要进一步安装TensorRT，安装TensorRT的方式参考TensorRT安装说明。

以下字段用于配置预测参数：

参数名	含义
model_path	inference 模型文件所在目录，该目录下需要有文件 .pdmodel 和 .pdiparams 两个文件
model_filename	inference_model_dir文件夹下的模型文件名称
params_filename	inference_model_dir文件夹下的参数文件名称
dataset	选择数据集的类型，可选：`human`, `cityscapes`, `ade`。
dataset_config	数据集配置的config
image_file	待测试单张图片的路径，如果设置image_file，则dataset_config将无效。
device	预测时的设备，可选：`CPU`, `GPU`。
use_trt	是否使用 TesorRT 预测引擎，在device为`GPU`时生效。
use_mkldnn	是否启用`MKL-DNN`加速库，注意`use_mkldnn`，在device为`CPU`时生效。
cpu_threads	CPU预测时，使用CPU线程数量，默认10
precision	预测时精度，可选：`fp32`, `fp16`, `int8`。

准备好预测模型，并且修改dataset_config中数据集路径为正确的路径后，启动测试：

4.1.1 基于压缩模型进行基于GPU的批量测试：

cd PaddleSeg/deploy/slim/act/
python test_seg.py \
      --model_path=save_quant_model_qat \
      --dataset='cityscapes' \
      --config="configs/datasets/pp_liteseg_1.0_data.yml" \
      --precision=int8 \
      --use_trt=True

预期结果：

4.1.2 基于压缩前模型进行基于GPU的批量测试：

cd PaddleSeg/deploy/slim/act/
python test_seg.py \
      --model_path=ppliteseg_tiny_scale1.0_export/ \
      --dataset='cityscapes' \
      --config="configs/datasets/pp_liteseg_1.0_data.yml" \
      --precision=fp32 \
      --use_trt=True

预期结果：

4.1.3 基于压缩模型进行基于CPU的批量测试：

MKLDNN预测：

cd PaddleSeg/deploy/slim/act/
python test_seg.py \
      --model_path=save_quant_model_qat \
      --dataset='cityscapes' \
      --config="configs/datasets/pp_liteseg_1.0_data.yml" \
      --device=CPU \
      --use_mkldnn=True \
      --precision=int8 \
      --cpu_threads=10

4.2 Paddle Inference 测试单张图片

4.2.1 基于压缩前模型测试单张图片：

wget https://paddleseg.bj.bcebos.com/dygraph/demo/cityscapes_demo.png

cd PaddleSeg/deploy/slim/act/
python test_seg.py \
      --model_path=ppliteseg_tiny_scale1.0_export \
      --dataset='cityscapes' \
      --image_file=cityscapes_demo.png \
      --use_trt=True \
      --precision=fp32 \
      --save_file res_qat_fp32.png

预期结果：

4.2.2 基于压缩模型测试单张图片：

cd PaddleSeg/deploy/slim/act/

wget https://paddleseg.bj.bcebos.com/dygraph/demo/cityscapes_demo.png

python test_seg.py \
      --model_path=save_quant_model_qat \
      --dataset='cityscapes' \
      --image_file=cityscapes_demo.png \
      --use_trt=True \
      --precision=int8 \
      --save_file res_qat_int8.png

预期结果：

4.2.3 图片结果对比

原始图片
FP32推理结果
Int8推理结果

4.3 更多部署教程

5.FAQ

1. paddleslim 和 paddleseg 存在opencv的版本差异？

A：去除Paddleslim中requirements.txt的opencv版本限制后重新安装。

2. 报错：Distill_node_pair config wrong, the length need to be an even number ？

A：蒸馏配置中的node需要设置成网络的输出节点。

使用netron打开静态图模型model.pdmodel；
修改QAT配置中node为最后一层卷积的输出名字。

3. 量化蒸馏训练精度很低？

A：去除量化训练的输出结果，重新运行一次，这是由于网络训练到局部极值点导致。

4. TensorRT推理报错：TensorRT dynamic library not found.

A：参考TensorRT安装说明，查看是否有版本不匹配或者路径没有配置。

5. ImportError: cannot import name 'MSRA' from 'paddle.fluid.initializer':

A 需要安装paddleslim 2.5，其适配了paddle2.5

6. ValueError: The axis is expected to be in range of [0,0) but got:

A: 需要安装paddleseg devleop版本，如果确定已经安装，建议使用pip uninstall paddleseg卸载后重新安装。

7. NotImplementedError：delete weight dequant op pass is not supported for per channel quantization

A：参考https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/issues/56619，并参考[TensorRT安装说明](../../../docs/deployment/installtrt.md)安装TensorRT。

8. CPU推理精度严重下降

A：CPU推理精度下降通常是由于推理过程中量化的op设置问题导致的，请确保推理过程中量化的op和训练过程中量化的op一致，才能保证推理精度和训练精度对齐。以本文的PP-Liteseg为例进行说明：

量化训练配置文件是configs/ppliteseg/ppliteseg_qat.yaml，其中量化的op是conv2d和depthwise_conv2d，因此在推理过程中也需要量化这两个op，可以通过使用如下函数进行设置：

# deploy/slim/act/test_seg.py:64
pred_cfg.enable_mkldnn_int8({
                    "conv2d", "depthwise_conv2d"
                })

而且最好只量化这两个op，如果增加其他op的量化，可能会导致精度下降。以下是一个简单的实验结果：

	原模型fp32推理	原模型fp32+mkldnn加速	量化模型int8推理（量化conv2d,depthwise_conv2d）	量化模型int8推理（量化conv2d,depthwise_conv2d,elementwise_mul）	量化模型int8推理（量化conv2d,depthwise_conv2d,elementwise_mul,pool2d）
mIoU	0.7704	0.7704	0.7658	0.7657	0.7372
耗时（ms）	1216.8	1191.3	434.5	439.6	505.8

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4.预测部署

4.1 Paddle Inference 验证性能

4.1.1 基于压缩模型进行基于GPU的批量测试：

4.1.2 基于压缩前模型进行基于GPU的批量测试：

4.1.3 基于压缩模型进行基于CPU的批量测试：

4.2 Paddle Inference 测试单张图片

4.2.1 基于压缩前模型测试单张图片：

4.2.2 基于压缩模型测试单张图片：

4.2.3 图片结果对比

4.3 更多部署教程

5.FAQ

1. paddleslim 和 paddleseg 存在opencv的版本差异？

2. 报错：Distill_node_pair config wrong, the length need to be an even number ？

3. 量化蒸馏训练精度很低？

4. TensorRT推理报错：TensorRT dynamic library not found.

5. ImportError: cannot import name 'MSRA' from 'paddle.fluid.initializer':

6. ValueError: The axis is expected to be in range of [0,0) but got:

7. NotImplementedError：delete weight dequant op pass is not supported for per channel quantization

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4.1.3 基于压缩模型进行基于CPU的批量测试：

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4.2.1 基于压缩前模型测试单张图片：

4.2.2 基于压缩模型测试单张图片：

4.2.3 图片结果对比

4.3 更多部署教程

5.FAQ

1. paddleslim 和 paddleseg 存在opencv的版本差异？

2. 报错：Distill_node_pair config wrong, the length need to be an even number ？

3. 量化蒸馏训练精度很低？

4. TensorRT推理报错：TensorRT dynamic library not found.

5. ImportError: cannot import name 'MSRA' from 'paddle.fluid.initializer':

6. ValueError: The axis is expected to be in range of [0,0) but got:

7. NotImplementedError：delete weight dequant op pass is not supported for per channel quantization

8. CPU推理精度严重下降