【TVM 教程】在树莓派上部署预训练模型

此教程介绍如何用 Relay 编译 ResNet 模型，并将其部署到树莓派。

import tvm
from tvm import te
import tvm.relay as relay
from tvm import rpc
from tvm.contrib import utils, graph_executor as runtime
from tvm.contrib.download import download_testdata

在设备上构建 TVM Runtime

首先在远程设备上构建 TVM runtime。

本节和下一节中的所有指令都应在目标设备（例如树莓派）及 Linux 上执行。

由于我们是在本地机器上进行编译，远程设备仅用于运行生成的代码，因此只需在远程设备上构建 TVM runtime。

git clone --recursive https://github.com/apache/tvm tvm
cd tvm
mkdir build
cp cmake/config.cmake build
cd build
cmake ..
make runtime -j4

runtime 构建完成后，在 ~/.bashrc 文件中设置环境变量——用 vi ~/.bashrc 命令来编辑 ~/.bashrc，添加下面这行代码（假设 TVM 目录在 ~/tvm 中）：

export PYTHONPATH=$PYTHONPATH:~/tvm/python

执行 source ~/.bashrc 来更新环境变量。

在设备上设置 RPC 服务器

在远程设备（该示例中为树莓派）上运行以下命令，启动 RPC 服务器：

python -m tvm.exec.rpc_server --host 0.0.0.0 --port=9090

看到如下结果，则表示 RPC 服务器启动成功：

INFO:root:RPCServer: bind to 0.0.0.0:9090

准备预训练模型

注意：确保主机已经（用 LLVM）安装了完整的 TVM。

使用 MXNet Gluon 模型集合中的预训练模型。更多有关这部分的信息详见编译 MXNet 模型教程。

from mxnet.gluon.model_zoo.vision import get_model
from PIL import Image
import numpy as np

# 用一行代码来获取模型
block = get_model("resnet18_v1", pretrained=True)

为了测试模型，下载一张猫的图片，并转换其格式：

img_url = "https://github.com/dmlc/mxnet.js/blob/main/data/cat.png?raw=true"
img_name = "cat.png"
img_path = download_testdata(img_url, img_name, module="data")
image = Image.open(img_path).resize((224, 224))

def transform_image(image):
    image = np.array(image) - np.array([123.0, 117.0, 104.0])
    image /= np.array([58.395, 57.12, 57.375])
    image = image.transpose((2, 0, 1))
    image = image[np.newaxis, :]
    return image

x = transform_image(image)

synset 用于将 ImageNet 类的标签，转换为人类更容易理解的单词。

synset_url = "".join(
    [
        "https://gist.githubusercontent.com/zhreshold/",
        "4d0b62f3d01426887599d4f7ede23ee5/raw/",
        "596b27d23537e5a1b5751d2b0481ef172f58b539/",
        "imagenet1000_clsid_to_human.txt",
    ]
)
synset_name = "imagenet1000_clsid_to_human.txt"
synset_path = download_testdata(synset_url, synset_name, module="data")
with open(synset_path) as f:
    synset = eval(f.read())

以下代码可将 Gluon 模型移植到可移植的计算图上：

# 在 mxnet.gluon 中支持 MXNet 静态计算图（符号）和 HybridBlock
shape_dict = {"data": x.shape}
mod, params = relay.frontend.from_mxnet(block, shape_dict)
# 添加 softmax 算子提高概率
func = mod["main"]
func = relay.Function(func.params, relay.nn.softmax(func.body), None, func.type_params, func.attrs)

以下是一些基本的数据工作负载配置：

batch_size = 1
num_classes = 1000
image_shape = (3, 224, 224)
data_shape = (batch_size,) + image_shape

编译计算图

用计算图的配置和参数调用 relay.build() 函数，从而编译计算图。但是，不能在具有 ARM 指令集的设备上部署 x86 程序。除了用来指定深度学习工作负载的参数 net 和 params，Relay 还需要知道目标设备的编译选项。不同选项会导致性能不同。

如果在 x86 服务器上运行示例，可将其设置为 llvm。如果在树莓派上运行，需要指定它的指令集。若要在真实设备上运行，需将 local_demo 设置为 False。

local_demo = True

if local_demo:
    target = tvm.target.Target("llvm")
else:
    target = tvm.target.arm_cpu("rasp3b")
    # 上面一行代码是下面代码的简单形式：
    # target = tvm.target.Target('llvm -device=arm_cpu -model=bcm2837 -mtriple=armv7l-linux-gnueabihf -mattr=+neon')

with tvm.transform.PassContext(opt_level=3):
    lib = relay.build(func, target, params=params)

# 在 `relay.build` 之后，会得到三个返回值：计算图，库和新参数，因为我们做了一些优化，它们会改变参数，但模型的结果不变。

# 将库保存在本地临时目录中。
tmp = utils.tempdir()
lib_fname = tmp.relpath("net.tar")
lib.export_library(lib_fname)

输出结果：

/workspace/python/tvm/relay/build_module.py:411: DeprecationWarning: Please use input parameter mod (tvm.IRModule) instead of deprecated parameter mod (tvm.relay.function.Function)
  DeprecationWarning,
/workspace/python/tvm/driver/build_module.py:268: UserWarning: target_host parameter is going to be deprecated. Please pass in tvm.target.Target(target, host=target_host) instead.
  "target_host parameter is going to be deprecated. "

通过 RPC 远程部署模型

利用 RPC 可将模型从主机部署到远程设备。

# 从远程设备获取 RPC session。
if local_demo:
    remote = rpc.LocalSession()
else:
    # 下面是教程环境，把这个改成你目标设备的 IP 地址
    host = "10.77.1.162"
    port = 9090
    remote = rpc.connect(host, port)

# 将库上传到远程设备，并加载它
remote.upload(lib_fname)
rlib = remote.load_module("net.tar")

# 创建远程 runtime 模块
dev = remote.cpu(0)
module = runtime.GraphModule(rlib["default"](dev))
# 设置输入数据
module.set_input("data", tvm.nd.array(x.astype("float32")))
# 运行
module.run()
# 得到结果
out = module.get_output(0)
# 得到排第一的结果
top1 = np.argmax(out.numpy())
print("TVM prediction top-1: {}".format(synset[top1]))

输出结果：