PyTorch (可选）将模型从 PyTorch 导出到 ONNX 并使用 ONNX Runtime 运行

原文： https://pytorch.org/tutorials/advanced/super_resolution_with_onnxruntime.html

在本教程中，我们描述了如何将 PyTorch 中定义的模型转换为 ONNX 格式，然后在 ONNX Runtime 中运行它。

ONNX Runtime 是针对 ONNX 模型的以性能为中心的引擎，可在多个平台和硬件(Windows，Linux 和 Mac 以及 CPU 和 GPU 上）高效地进行推理。事实证明，ONNX Runtime 可大大提高多个模型的性能。

对于本教程，您将需要安装 ONNX 和 ONNX Runtime 。您可以使用pip install onnx onnxruntime获得 ONNX 和 ONNX Runtime 的二进制版本。请注意，ONNX 运行时与 Python 3.5 至 3.7 版本兼容。

NOTE：本教程需要 PyTorch master 分支，可以按照此处的说明进行安装

# Some standard imports
import io
import numpy as np


from torch import nn
import torch.utils.model_zoo as model_zoo
import torch.onnx

超分辨率是提高图像，视频分辨率的一种方式，广泛用于图像处理或视频编辑中。在本教程中，我们将使用一个小的超分辨率模型。

首先，让我们在 PyTorch 中创建一个 SuperResolution 模型。该模型使用了“使用高效的子像素卷积神经网络的实时单图像和视频超分辨率”(Shi 等人）中描述的有效的子像素卷积层来提高图像的分辨率受高档因素的影响。该模型期望输入图像的 YCbCr 的 Y 分量作为输入，并以超分辨率输出放大的 Y 分量。

模型直接来自 PyTorch 的示例，未经修改：

# Super Resolution model definition in PyTorch
import torch.nn as nn
import torch.nn.init as init


class SuperResolutionNet(nn.Module):
    def __init__(self, upscale_factor, inplace=False):
        super(SuperResolutionNet, self).__init__()


        self.relu = nn.ReLU(inplace=inplace)
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 64, (5, 5), (1, 1), (2, 2))
        self.conv2 = nn.Conv2d(64, 64, (3, 3), (1, 1), (1, 1))
        self.conv3 = nn.Conv2d(64, 32, (3, 3), (1, 1), (1, 1))
        self.conv4 = nn.Conv2d(32, upscale_factor ** 2, (3, 3), (1, 1), (1, 1))
        self.pixel_shuffle = nn.PixelShuffle(upscale_factor)


        self._initialize_weights()


    def forward(self, x):
        x = self.relu(self.conv1(x))
        x = self.relu(self.conv2(x))
        x = self.relu(self.conv3(x))
        x = self.pixel_shuffle(self.conv4(x))
        return x


    def _initialize_weights(self):
        init.orthogonal_(self.conv1.weight, init.calculate_gain('relu'))
        init.orthogonal_(self.conv2.weight, init.calculate_gain('relu'))
        init.orthogonal_(self.conv3.weight, init.calculate_gain('relu'))
        init.orthogonal_(self.conv4.weight)


## Create the super-resolution model by using the above model definition.
torch_model = SuperResolutionNet(upscale_factor=3)

通常，您现在将训练该模型。但是，在本教程中，我们将下载一些预训练的权重。请注意，此模型未经过充分训练以提供良好的准确性，在此仅用于演示目的。

在导出模型之前，请先调用torch_model.eval()或torch_model.train(False)，以将模型转换为推理模式，这一点很重要。这是必需的，因为像 dropout 或 batchnorm 这样的运算符在推断和训练模式下的行为会有所不同。

# Load pretrained model weights
model_url = 'https://s3.amazonaws.com/pytorch/test_data/export/superres_epoch100-44c6958e.pth'
batch_size = 1    # just a random number


## Initialize model with the pretrained weights
map_location = lambda storage, loc: storage
if torch.cuda.is_available():
    map_location = None
torch_model.load_state_dict(model_zoo.load_url(model_url, map_location=map_location))


## set the model to inference mode
torch_model.eval()

在 PyTorch 中导出模型是通过跟踪或脚本编写的。本教程将以通过跟踪导出的模型为例。要导出模型，我们调用torch.onnx.export()函数。这将执行模型，并记录使用什么运算符计算输出的轨迹。因为export运行模型，所以我们需要提供输入张量x。只要是正确的类型和大小，其中的值就可以是随机的。请注意，除非指定为动态轴，否则输入尺寸将在导出的 ONNX 图形中固定为所有输入尺寸。在此示例中，我们使用输入 batch_size 1 导出模型，但随后在torch.onnx.export()的dynamic_axes参数中将第一维指定为动态。因此，导出的模型将接受大小为[batch_size，1、224、224]的输入，其中 batch_size 可以是可变的。

要了解有关 PyTorch 导出界面的更多详细信息，请查看 torch.onnx 文档。

# Input to the model
x = torch.randn(batch_size, 1, 224, 224, requires_grad=True)
torch_out = torch_model(x)


## Export the model
torch.onnx.export(torch_model,               # model being run
                  x,                         # model input (or a tuple for multiple inputs)
                  "super_resolution.onnx",   # where to save the model (can be a file or file-like object)
                  export_params=True,        # store the trained parameter weights inside the model file
                  opset_version=10,          # the ONNX version to export the model to
                  do_constant_folding=True,  # whether to execute constant folding for optimization
                  input_names = ['input'],   # the model's input names
                  output_names = ['output'], # the model's output names
                  dynamic_axes={'input' : {0 : 'batch_size'},    # variable lenght axes
                                'output' : {0 : 'batch_size'}})

我们还计算了torch_out，即模型之后的输出，我们将用来验证导出的模型在 ONNX Runtime 中运行时是否计算出相同的值。

但是，在通过 ONNX Runtime 验证模型的输出之前，我们将使用 ONNX 的 API 检查 ONNX 模型。首先，onnx.load("super_resolution.onnx")将加载保存的模型并输出 onnx.ModelProto 结构(用于捆绑 ML 模型的顶级文件/容器格式。有关更多信息，请参见 onnx.proto 文档。）。然后，onnx.checker.check_model(onnx_model)将验证模型的结构并确认模型具有有效的架构。通过检查模型的版本，图形的结构以及节点及其输入和输出，可以验证 ONNX 图的有效性。

import onnx


onnx_model = onnx.load("super_resolution.onnx")
onnx.checker.check_model(onnx_model)

现在，我们使用 ONNX 运行时的 Python API 计算输出。这部分通常可以在单独的过程中或在另一台机器上完成，但是我们将继续同一过程，以便我们可以验证 ONNX Runtime 和 PyTorch 正在为网络计算相同的值。

为了使用 ONNX Runtime 运行模型，我们需要使用所选的配置参数为模型创建一个推理会话(此处使用默认配置）。创建会话后，我们将使用 run(）API 评估模型。此调用的输出是一个列表，其中包含由 ONNX Runtime 计算的模型的输出。

import onnxruntime


ort_session = onnxruntime.InferenceSession("super_resolution.onnx")


def to_numpy(tensor):
    return tensor.detach().cpu().numpy() if tensor.requires_grad else tensor.cpu().numpy()


## compute ONNX Runtime output prediction
ort_inputs = {ort_session.get_inputs()[0].name: to_numpy(x)}
ort_outs = ort_session.run(None, ort_inputs)


## compare ONNX Runtime and PyTorch results
np.testing.assert_allclose(to_numpy(torch_out), ort_outs[0], rtol=1e-03, atol=1e-05)


print("Exported model has been tested with ONNXRuntime, and the result looks good!")

我们应该看到 PyTorch 和 ONNX Runtime 的输出在数值上与给定的精度匹配(rtol = 1e-03 和 atol = 1e-05）。附带说明一下，如果它们不匹配，则说明 ONNX 导出器中存在问题，因此请与我们联系。

使用 ONNX Runtime 在图像上运行模型

到目前为止，我们已经从 PyTorch 导出了一个模型，并演示了如何使用虚拟张量作为输入在 ONNX Runtime 中加载和运行该模型。

在本教程中，我们将使用广泛使用的著名猫图像，如下图所示

cat

首先，让我们加载图片，使用标准 PIL python 库对其进行预处理。请注意，此预处理是处理数据以训练/测试神经网络的标准做法。

我们首先调整图像大小以适合模型输入的大小(224x224）。然后，我们将图像分为 Y，Cb 和 Cr 分量。这些分量代表灰度图像(Y），蓝差(Cb）和红差(Cr）色度分量。 Y 分量对人眼更敏感，我们对将要转换的 Y 分量感兴趣。提取 Y 分量后，我们将其转换为张量，这将是模型的输入。

from PIL import Image
import torchvision.transforms as transforms


img = Image.open("./_static/img/cat.jpg")


resize = transforms.Resize([224, 224])
img = resize(img)


img_ycbcr = img.convert('YCbCr')
img_y, img_cb, img_cr = img_ycbcr.split()


to_tensor = transforms.ToTensor()
img_y = to_tensor(img_y)
img_y.unsqueeze_(0)

现在，作为下一步，让我们使用代表灰度尺寸调整后的猫图像的张量，并按照先前的说明在 ONNX Runtime 中运行超分辨率模型。

ort_inputs = {ort_session.get_inputs()[0].name: to_numpy(img_y)}
ort_outs = ort_session.run(None, ort_inputs)
img_out_y = ort_outs[0]

此时，模型的输出为张量。现在，我们将处理模型的输出，以根据输出张量构造最终的输出图像，并保存图像。后处理步骤已从此处的超分辨率模型的 PyTorch 实现中采用。

img_out_y = Image.fromarray(np.uint8((img_out_y[0] * 255.0).clip(0, 255)[0]), mode='L')


## get the output image follow post-processing step from PyTorch implementation
final_img = Image.merge(
    "YCbCr", [
        img_out_y,
        img_cb.resize(img_out_y.size, Image.BICUBIC),
        img_cr.resize(img_out_y.size, Image.BICUBIC),
    ]).convert("RGB")


## Save the image, we will compare this with the output image from mobile device
final_img.save("./_static/img/cat_superres_with_ort.jpg")

$output\_cat$

ONNX Runtime 是跨平台引擎，您可以跨多个平台在 CPU 和 GPU 上运行它。

还可以使用 Azure 机器学习服务将 ONNX Runtime 部署到云中以进行模型推断。更多信息此处。

在上了解有关 ONNX 运行时性能的更多信息。

有关 ONNX 运行时的更多信息，请参见。

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Download Python source code: super_resolution_with_onnxruntime.py Download Jupyter notebook: super_resolution_with_onnxruntime.ipynb