ONNX 浅析：如何加速深度学习算法工程化？

云烟 • 2024年 9月 10日上午5:42 • 未分类 • 阅读 53

AlphaGo击败围棋世界冠军李世石以来，关于人工智能和深度学习的研究呈现井喷之势。

各种新的算法和网络模型层出不穷，令人眼花缭乱。与之相随的，深度学习的训练和推理框架也在不断地推陈出新，比较著名的有：微软的CNTK、Google的TensorFlow、Facebook的PyTorch、Apple的CoreML、Intel 的OpenVINO、英伟达的cuDNN和TensorRT、腾讯的TNN和NCNN、阿里的MNN等等。

这些框架都有相似之处，他们的输入是一个或者一组多维数据，数据经过多层运算单元之后输出运算结果。训练框架支持BackPropogation等训练方法，可以自动调整模型参数，用于算法设计。推理框架则是单纯只能用于模型推理运算，不能调整模型本身，用于算法部署落地。

这些框架中，Google的TensorFlow的这个名字尤其具有美感。多维数据是为张量(Tensor)，数据在多层运算单元中的运算和传递是为流(FLow)，看到这个词就仿佛看到了一个数据和运算的图(Computation Graph)，真可谓妙手偶得之佳作。这些框架都需要构建算子，并且将这些算子按照一定的次序连接起来，可以称之为网络模型。

Why ONNX？

每个深度学习框架都有自己独有的格式来解释和存储网络模型，并且这些框架的侧重点不同，有些用于训练学习，有些用于部署推理。在深度学习算法开发中，在不同的阶段会选择不同的框架，所以模型描述格式的不同，在客观上造成了深度学习算法开发和落地的困难。

笔者之前曾开发深度神经网络算法，当时选择的训练框架是Caffe，需要落地部署到Linux、iOS、Android等多个平台。Linux选择的是Nvidia的cuDNN；iOS选择的是CoreML；Android选择的是NNAPI，Caffe的模型描述格式是caffemodel。

它使用自定义的Protobuf (https://github.com/BVLC/caffe/tree/master/src/caffe/proto)，但是显然，无论是cuDNN、CoreML、NNAPI都无法直接使用caffemodel，CoreML的模型描述使用另一种定义 (https://apple.github.io/coremltools/mlmodel/index.html)，cuDNN和NNAPI都是low-level的推理引擎，需要使用者将这个模型组装起来。

对于CoreML来说，我们需要把caffemodel转为coremlmodel格式，对于 cuDNN和NNAPI，我们需要解析caffemodel，然后自己组装出完整的网络模型。这个过程繁琐而且容易出错，当时有强烈的冲动，希望定义一个统一的模型描述格式，所有的训练框架训练所得的网络模型，都是用这个格式来描述，在设备上部署推理时，相应的推理引擎支持解析这个统一的描述格式，直接完成部署落地，岂不美哉。

当然此事并不容易，要定义个统一的模型描述格式，不仅仅需要对机器学习技术有深入的理解，而且将之推广成为事实上的行业标准，更需要有很大的行业影响力，并不是如笔者这样的无名小卒可以为之。所幸已经有社区在做这个事情了，这就是Open Neural Network Exchange(ONNX)。

用ONNX自己的话来说，ONNX是一个对计算网络(Computation Graph)的一个通用描述(Intermediate Representation)。它希望被设计成为开放的网络描述格式，减少开发者在各个训练和推理框架间切换的代价，可以让开发者专注于算法和优化。虽然ONNX还处于比较早期的阶段，不过已经有越来越多的人开始关注到它，未来会有机会得到更广泛的应用。

计算模型描述

ONNX有两个分类：基础的ONNX主要用于描述神经网络、ONNX-ML是对基础ONNX的扩展，增加了神经网络之外的其他机器学习算法的支持。本文不会涉及ONNX-ML，接下来的文字以一个简单的ONNX模型为例，介绍一下 ONNX是如何来描述一个计算网络的。该模型可以在ONNX的Github上下载(https://github.com/onnx/models/blob/master/vision/classification/mobilenet/model/mobilenetv2-7.onnx).

ONNX的模型描述采用了Google的Protocol Buffer语言。最外层的结构是ModelProto，ModelProto的定义如下：

message ModelProto {
  int64 ir_version = 1;
  repeated OperatorSetIdProto opset_import = 8;
  string producer_name = 2;
  string producer_version = 3;
  string domain = 4;
  int64 model_version = 5;
  string doc_string = 6;
  GraphProto graph = 7;
  repeated StringStringEntryProto metadata_props = 14;
  repeated TrainingInfoProto training_info = 20;
  repeated FunctionProto functions = 25;
}

比较重要的字段有: lr_version : 当前的ONNX模型文件的版本，目前发布的最新版本为IR_VERSION_2019_3_18 = 6. 发布于2019年，版本7还在制定中. opset_import: 当前的模型文件所依赖的算子domain和版本. graph: 这个模型执行的运算图，这个是最重要的字段.

GraphProto的定义如下：

message GraphProto {
  repeated NodeProto node = 1;
  string name = 2;   // namespace Graph
  repeated TensorProto initializer = 5;
  repeated SparseTensorProto sparse_initializer = 15;
  string doc_string = 10;
  repeated ValueInfoProto input = 11;
  repeated ValueInfoProto output = 12;
  repeated ValueInfoProto value_info = 13;
  repeated TensorAnnotation quantization_annotation = 14;
}

比较重要的字段有: initializer : 模型的每一网络层的参数, 模型训练完成之后参数就被固定下来. input : 模型的输入格式. output : 模型的输出格式. nodes : 定义了模型的所有运算模块，依照推理的次序排布.

NodeProto的定义如下：

message NodeProto {
  repeated string input = 1;    // namespace Value
  repeated string output = 2;   // namespace Value
  string name = 3;     // namespace Node
  string op_type = 4;  // namespace Operator
  string domain = 7;   // namespace Domain
  repeated AttributeProto attribute = 5;
  string doc_string = 6;
}

比较重要的字段有: input : 输入参数的名字. output : 输出参数的名字，这里需要留意的是，每一个网络层之间的连接使用输入和输出的名字来确立的. op_type : 算子的类型. attributes : 算子的属性，其解析取决于算子的类型.

ONNX中最复杂的部分就是关于各种算子的描述，这也可以理解，构成神经网络的主体就是这些算子. attributes 就是算子的一组带名字的属性. 本文中，我们介绍一个在mobilenetv2-7.onnx使用最多的算子: conv.

卷积神经网络在语音，图像，视频等处理上获得了巨大成功. ONNX关于卷积网络层的属性定义主要有: dilations: 扩展卷积，默认为1，即普通卷积. 其数学定义如下

普通卷积扩展卷积
group: 分组卷积, 其定义见文献14. 默认为1，即不分组. kernel_shape: 定义了卷积核的大小. pads: 定义了上下左右填充的像素数. strides: 定义了卷积运算的步长。

ONNX的支持情况

各家的训练和推理框架还在继续发展， ONNX想成为行业标准显然还为时尚早，但是目前尚没有看到其他更好地通用模型描述格式，我们简单归纳一下现在的ONNX的支持情况(不完整)：

Reference

[1] ONNX: https://github.com/onnx/onnx

[2] TENSORFLOW: https://www.tensorflow.org/

[3] CNTK: https://github.com/Microsoft/CNTK

[4] PYTORCH: https://pytorch.org/

[5] TNN: https://github.com/Tencent/TNN

[6] MNN: https://github.com/alibaba/MNN

[7] CUDNN: https://developer.nvidia.com/zh-cn/cudnn

[8] TENSORRT: https://developer.nvidia.com/zh-cn/tensorrt

[9] COREML: https://developer.apple.com/documentation/coreml

[10] NCNN: https://github.com/Tencent/ncnn

[11] NNAPI: https://developer.android.com/ndk/guides/neuralnetworks

[12] Protocol Buffers: https://developers.google.com/protocol-buffers

[13] Dilated Convolutions https://arxiv.org/abs/1511.07122

[14] Dynamic Group Convolutions https://arxiv.org/abs/2007.0424

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