瑞芯微 NPU 部署示例

Paddle Lite 已支持 Rockchip 1代 NPU 的预测部署。 其接入原理是与之前华为 Kirin NPU 类似，即加载并分析 Paddle 模型，首先将 Paddle 算子转成 NNAdapter 标准算子，其次再转换为 Rockchip NPU 组网 API 进行网络构建，在线生成并执行模型。

  • 请注意：本文介绍的是 Paddle Lite 基于 RK DDK 来调用瑞芯微 SoC 的 NPU 算力，考虑到算子以及模型支持的广度，如果需要在瑞芯微 SoC 上部署较为复杂的模型，我们强烈建议您参考芯原 TIM-VX 部署示例，同样能调用晶晨 SoC 的 NPU 算力，且支持场景更多。

支持现状

已支持的芯片

  • RK1808/1806

  • RV1126/1109 注意：暂时不支持 RK3399Pro

已支持的设备

  • RK1808/1806 EVB

  • TB-RK1808S0 AI 计算棒

  • RV1126/1109 EVB

已支持的 Paddle 模型

性能

  • 测试环境

    • 编译环境

      • Ubuntu 16.04，GCC 5.4 for ARMLinux armhf and aarch64

    • 硬件环境

      • RK1808EVB/TB-RK1808S0 AI 计算棒

        • CPU：2 x Cortex-A35 1.6 GHz

        • NPU：3 TOPs for INT8 / 300 GOPs for INT16 / 100 GFLOPs for FP16

      • RV1109EVB

        • CPU：2 x Cortex-A7 1.2 GHz

        • NPU：1.2Tops，support INT8/ INT16

  • 测试方法

    • warmup=1, repeats=5，统计平均时间，单位是 ms

    • 线程数为 1，paddle::lite_api::PowerMode CPU_POWER_MODE 设置为 paddle::lite_api::PowerMode::LITE_POWER_HIGH

    • 分类模型的输入图像维度是{1, 3, 224, 224}，检测模型的维度是{1, 3, 300, 300}

  • 测试结果

模型 RK1808EVB TB-RK1808S0 AI 计算棒 RV1109EVB
CPU(ms) NPU(ms) CPU(ms) NPU(ms) CPU(ms) NPU(ms)
mobilenet_v1_int8_224_per_layer 266.965796 6.982800 357.467200 9.330400 331.796204 7.494000
resnet50_int8_224_per_layer 1503.052393 19.387600 2016.901196 22.655600 1959.528223 30.797000
ssd_mobilenet_v1_relu_voc_int8_300_per_layer 545.154004 15.315800 731.145203 19.800800 696.48919 14.957600

已支持（或部分支持）NNAdapter 的 Paddle 算子

您可以查阅 NNAdapter 算子支持列表获得各算子在不同新硬件上的最新支持信息。

不经过 NNAdapter 标准算子转换，而是直接将 Paddle 算子转换成 Rockchip NPU IR 的方案可点击链接。

参考示例演示

测试设备

  • RK1808 EVB

    rk1808_evb_front

    rk1808_evb_back

  • TB-RK1808S0 AI计算棒

    tb-rk1808s0

  • RV1126 EVB

    rk1126_evb

准备设备环境

  • RK1808 EVB

    • 需要依赖特定版本的 firmware，请参照 rknpu_ddk 的说明对设备进行 firmware 的更新；

    • 由于 RK1808 EVB 在刷 firmware 后，只是一个纯净的 Linux 系统，无法像 Ubuntu 那样使用 apt-get 命令方便的安装软件，因此，示例程序和 Paddle Lite 库的编译均采用交叉编译方式；

    • 将 MicroUSB 线插入到设备的 MicroUSB OTG 口，就可以使用 Android 的 adb 命令进行设备的交互，再也不用配置网络使用 ssh 或者通过串口的方式访问设备了，这个设计非常赞！

    • 将 rknpu_ddk 的 lib64 目录下除 librknpu_ddk.so 之外的动态库都拷贝到设备的 /usr/lib 目录下，更新 Rockchip NPU 的系统库。

    • 注意确认 Galcore 驱动版本，需为 6.4.0.X 方能正常运行。 Galcore 由开发板/解决方案厂商提供，在刷新固件时也会同时刷新 Galcore 驱动

      $ dmesg | grep Galcore
[   15.978465] Galcore version 6.4.0.227915

  • TB-RK1808S0 AI 计算棒

    • 参考 TB-RK1808S0 wiki 教程的将计算棒配置为主动模式，完成网络设置和 firmware 的升级，具体步骤如下：

      • 将计算棒插入 Window7/10 主机，参考主动模式开发配主机的虚拟网卡 IP 地址，通过 ssh toybrick@192.168.180.8 验证是否能登录计算棒；

      • 参考 Window7/10 系统配置计算棒网络共享，SSH 登录计算棒后通过 wget www.baidu.com 验证是否能够访问外网；

      • 参考固件在线升级，建议通过 ssh 登录计算棒，在 shell 下执行 sudo dnf update -y 命令快速升级到最新版本系统（要求系统版本 >= 1.4.1-2），可通过 rpm -qa | grep toybrick-server 查询系统版本：

      $ rpm -qa | grep toybrick-server
toybrick-server-1.4.1-2.rk1808.fc28.aarch64

      • 将 rknpu_ddk 的 lib64 目录下除 librknpu_ddk.so 之外的动态库都拷贝到设备的 /usr/lib 目录下，更新 Rockchip NPU 的系统库。

      • 注意确认 Galcore 驱动版本，需为 6.4.0.X 方能正常运行。 Galcore 由开发板/解决方案厂商提供，在刷新固件时也会同时刷新 Galcore 驱动

      $ dmesg | grep Galcore
[    7.919345] Galcore version 6.4.0.227915

  • RV1126 EVB

    • 需要升级 1.51 的 firmware（下载和烧录方法请联系RK相关同学），可通过以下命令确认 librknn_runtime.so 的版本：

    # strings /usr/lib/librknn_runtime.so | grep build |grep version
librknn_runtime version 1.5.1 (161f53f build: 2020-11-05 15:12:30 base: 1126)

    • 示例程序和 Paddle Lite 库的编译需要采用交叉编译方式，通过 adb 进行设备的交互和示例程序的运行。

    • 将 rknpu_ddk 的 lib64 目录下除 librknpu_ddk.so 之外的动态库都拷贝到设备的 /usr/lib 目录下，更新 Rockchip NPU 的系统库。

    • 注意确认 Galcore 驱动版本，需为 6.4.0.X 方能正常运行。 Galcore 由开发板/解决方案厂商提供，在刷新固件时也会同时刷新 Galcore 驱动

      $ dmesg | grep Galcore
[    5.809874] Galcore version 6.4.0.227915

准备交叉编译环境

  • 为了保证编译环境一致，建议参考编译环境准备中的 Docker 开发环境进行配置；

  • 由于有些设备只提供网络访问方式（例如：TB-RK1808S0 AI 计算棒），需要通过 scp 和 ssh 命令将交叉编译生成的 Paddle Lite 库和示例程序传输到设备上执行，因此，在进入 Docker 容器后还需要安装如下软件：

    # apt-get install openssh-client sshpass

运行图像分类示例程序

  • 下载 Paddle Lite 通用示例程序 PaddleLite-generic-demo.tar.gz ，解压后目录主体结构如下：

      - PaddleLite-generic-demo
    - image_classification_demo
      - assets
        - images
          - tabby_cat.jpg # 测试图片
          - tabby_cat.raw # 经过 convert_to_raw_image.py 处理后的 RGB Raw 图像
        - labels
          - synset_words.txt # 1000 分类 label 文件
        - models
          - mobilenet_v1_int8_224_per_layer
            - __model__ # Paddle fluid 模型组网文件，可使用 netron 查看网络结构
            — conv1_weights # Paddle fluid 模型参数文件
            - batch_norm_0.tmp_2.quant_dequant.scale # Paddle fluid 模型量化参数文件
            — subgraph_partition_config_file.txt # 自定义子图分割配置文件
            ...
      - shell
        - CMakeLists.txt # 示例程序 CMake 脚本
        - build.linux.arm64 # arm64 编译工作目录
          - image_classification_demo # 已编译好的，适用于 arm64 的示例程序
        - build.linux.armhf # armhf编译工作目录
          - image_classification_demo # 已编译好的，适用于 armhf 的示例程序
        ...
        - image_classification_demo.cc # 示例程序源码
        - build.sh # 示例程序编译脚本
        - run.sh # 示例程序本地运行脚本
        - run_with_ssh.sh # 示例程序ssh运行脚本
        - run_with_adb.sh # 示例程序adb运行脚本
    - libs
      - PaddleLite
        - linux
          - arm64 # Linux 64 位系统
            - include # Paddle Lite 头文件
            - lib # Paddle Lite 库文件
              - rockchip_npu # 瑞芯微 NPU DDK、NNAdapter 运行时库、device HAL 库
              	- libnnadapter.so # NNAdapter 运行时库
              	- librockchip_npu.so # NNAdapter device HAL 库
                - librknpu_ddk.so # 瑞芯微 NPU DDK
                - libGAL.so # 芯原 DDK
                - libVSC.so # 芯原 DDK
                - libOpenVX.so # 芯原 DDK
                - libgomp.so.1 # gnuomp 库
              - libpaddle_full_api_shared.so # 预编译 Paddle Lite full api 库
              - libpaddle_light_api_shared.so # 预编译 Paddle Lite light api 库
          - armhf # Linux 32 位系统
            - include
            - lib
              - rockchip_npu
                - libnnadapter.so
                - librockchip_npu.so
                - librknpu_ddk.so
                - libGAL.so
                - libVSC.so
                - libOpenVX.so
                ...
          	  - libpaddle_full_api_shared.so # 预编译 Paddle Lite full api 库
              - libpaddle_light_api_shared.so # 预编译 Paddle Lite light api 库
          ...
        - android
      - OpenCV # OpenCV 预编译库
    - ssd_detection_demo # 基于 ssd 的目标检测示例程序

  • 按照以下命令分别运行转换后的 ARM CPU 模型和 Rockchip NPU 模型，比较它们的性能和结果；

    注意：
1）`run_with_adb.sh` 不能在 Docker 环境执行，否则可能无法找到设备，也不能在设备上运行。
2）`run_with_ssh.sh` 不能在设备上运行，且执行前需要配置目标设备的IP地址、SSH账号和密码。
3）`build.sh` 根据入参生成针对不同操作系统、体系结构的二进制程序，需查阅注释信息配置正确的参数值。
4）`run_with_adb.sh` 入参包括模型名称、操作系统、体系结构、目标设备、设备序列号等，需查阅注释信息配置正确的参数值。
5）`run_with_ssh.sh` 入参包括模型名称、操作系统、体系结构、目标设备、ip 地址、用户名、用户密码等，需查阅注释信息配置正确的参数值。
6）下述命令行示例中涉及的具体IP、SSH账号密码、设备序列号等均为示例环境，请用户根据自身实际设备环境修改。

在 ARM CPU 上运行 mobilenet_v1_int8_224_per_layer 全量化模型
$ cd PaddleLite-generic-demo/image_classification_demo/shell

For RK1808 EVB
$ ./run_with_adb.sh mobilenet_v1_int8_224_per_layer linux arm64 cpu a133d8abb26137b2
  (RK1808 EVB)
  warmup: 1 repeat: 5, average: 266.965796 ms, max: 267.056000 ms, min: 266.848999 ms
  results: 3
  Top0  Egyptian cat - 0.512545
  Top1  tabby, tabby cat - 0.402567
  Top2  tiger cat - 0.067904
  Preprocess time: 2.423000 ms
  Prediction time: 266.965796 ms
  Postprocess time: 0.538000 ms

For RK1806/RV1126/RV1109 EVB
$ ./run_with_ssh.sh mobilenet_v1_int8_224_per_layer linux armhf cpu 192.168.100.13 22 root rockchip
  (RV1109 EVB)
  warmup: 1 repeat: 5, average: 331.796204 ms, max: 341.756012 ms, min: 328.386993 ms
  results: 3
  Top0  Egyptian cat - 0.512545
  Top1  tabby, tabby cat - 0.402567
  Top2  tiger cat - 0.067904
  Preprocess time: 3.380000 ms
  Prediction time: 331.796204 ms
  Postprocess time: 0.554000 ms

For TB-RK1808S0 AI 计算棒
$ ./run_with_ssh.sh mobilenet_v1_int8_224_per_layer linux arm64 cpu 192.168.180.8 22 toybrick toybrick
  (TB-RK1808S0 AI计算棒)
  warmup: 1 repeat: 5, average: 357.467200 ms, max: 358.815002 ms, min: 356.808014 ms
  results: 3
  Top0  Egyptian cat - 0.512545
  Top1  tabby, tabby cat - 0.402567
  Top2  tiger cat - 0.067904
  Preprocess time: 3.199000 ms
  Prediction time: 357.467200 ms
  Postprocess time: 0.596000 ms

------------------------------

在 Rockchip NPU 上运行 mobilenet_v1_int8_224_per_layer 全量化模型
$ cd PaddleLite-generic-demo/image_classification_demo/shell

For RK1808 EVB
$ ./run_with_adb.sh mobilenet_v1_int8_224_per_layer linux arm64 rockchip_npu a133d8abb26137b2
  (RK1808 EVB)
  warmup: 1 repeat: 5, average: 6.982800 ms, max: 7.045000 ms, min: 6.951000 ms
  results: 3
  Top0  Egyptian cat - 0.514779
  Top1  tabby, tabby cat - 0.421183
  Top2  tiger cat - 0.052648
  Preprocess time: 2.417000 ms
  Prediction time: 6.982800 ms
  Postprocess time: 0.509000 ms

For RK1806/RV1126/RV1109 EVB
$ ./run_with_ssh.sh mobilenet_v1_int8_224_per_layer linux armhf rockchip_npu 192.168.100.13 22 root rockchip
  (RV1109 EVB)
  warmup: 1 repeat: 5, average: 7.494000 ms, max: 7.724000 ms, min: 7.321000 ms
  results: 3
  Top0  Egyptian cat - 0.508929
  Top1  tabby, tabby cat - 0.415333
  Top2  tiger cat - 0.064347
  Preprocess time: 3.532000 ms
  Prediction time: 7.494000 ms
  Postprocess time: 0.577000 ms

For TB-RK1808S0 AI 计算棒
$ ./run_with_ssh.sh mobilenet_v1_int8_224_per_layer linux arm64 rockchip_npu 192.168.180.8 22 toybrick toybrick
  (TB-RK1808S0 AI 计算棒)
  warmup: 1 repeat: 5, average: 9.330400 ms, max: 9.753000 ms, min: 8.421000 ms
  results: 3
  Top0  Egyptian cat - 0.514779
  Top1  tabby, tabby cat - 0.421183
  Top2  tiger cat - 0.052648
  Preprocess time: 3.170000 ms
  Prediction time: 9.330400 ms
  Postprocess time: 0.634000 ms

  • 如果需要更改测试图片，可将图片拷贝到 PaddleLite-generic-demo/image_classification_demo/assets/images 目录下，然后调用 convert_to_raw_image.py 生成相应的 RGB Raw 图像，最后修改 run_with_adb.sh、run_with_ssh.sh 的 IMAGE_NAME 变量即可；

  • 重新编译示例程序：

    注意：
1）请根据 `buid.sh`配置正确的参数值。
2）需在 Docker 环境中编译。

# 对于 RK1808EVB, TB-RK1808S0
./build.sh linux arm64

# 对于 RK1806EVB, RV1109/1126 EVB
./build.sh linux armhf

更新模型

  • 通过 Paddle 训练或 X2Paddle 转换得到 MobileNetv1 foat32 模型 mobilenet_v1_fp32_224

  • 通过 Paddle+PaddleSlim 后量化方式，生成 mobilenet_v1_int8_224_per_layer量化模型

  • 下载 PaddleSlim-quant-demo.tar.gz ，解压后清单如下：

    - PaddleSlim-quant-demo
  - image_classification_demo
    - quant_post # 后量化
      - quant_post_rockchip_npu.sh # Rockchip NPU 一键量化脚本
      - README.md # 环境配置说明，涉及 PaddlePaddle、PaddleSlim 的版本选择、编译和安装步骤
      - datasets # 量化所需要的校准数据集合
        - ILSVRC2012_val_100 # 从 ImageNet2012 验证集挑选的 100 张图片
      - inputs # 待量化的 fp32 模型
        - mobilenet_v1
        - resnet50
      - outputs # 产出的全量化模型
      - scripts # 后量化内置脚本

  • 查看 README.md 完成 PaddlePaddle 和 PaddleSlim 的安装

  • 直接执行 ./quant_post_rockchip_npu.sh 即可在 outputs 目录下生成 mobilenet_v1_int8_224_per_layer 量化模型

    -----------  Configuration Arguments -----------
activation_bits: 8
activation_quantize_type: moving_average_abs_max
algo: KL
batch_nums: 10
batch_size: 10
data_dir: ../dataset/ILSVRC2012_val_100
is_full_quantize: 1
is_use_cache_file: 0
model_path: ../models/mobilenet_v1
optimize_model: 1
output_path: ../outputs/mobilenet_v1
quantizable_op_type: conv2d,depthwise_conv2d,mul
use_gpu: 0
use_slim: 1
weight_bits: 8
weight_quantize_type: abs_max
------------------------------------------------
quantizable_op_type:['conv2d', 'depthwise_conv2d', 'mul']
2021-08-30 05:52:10,048-INFO: Load model and set data loader ...
2021-08-30 05:52:10,129-INFO: Optimize FP32 model ...
I0830 05:52:10.139564 14447 graph_pattern_detector.cc:91] ---  detected 14 subgraphs
I0830 05:52:10.148236 14447 graph_pattern_detector.cc:91] ---  detected 13 subgraphs
2021-08-30 05:52:10,167-INFO: Collect quantized variable names ...
2021-08-30 05:52:10,168-WARNING: feed is not supported for quantization.
2021-08-30 05:52:10,169-WARNING: fetch is not supported for quantization.
2021-08-30 05:52:10,170-INFO: Preparation stage ...
2021-08-30 05:52:11,853-INFO: Run batch: 0
2021-08-30 05:52:16,963-INFO: Run batch: 5
2021-08-30 05:52:21,037-INFO: Finish preparation stage, all batch:10
2021-08-30 05:52:21,048-INFO: Sampling stage ...
2021-08-30 05:52:31,800-INFO: Run batch: 0
2021-08-30 05:53:23,443-INFO: Run batch: 5
2021-08-30 05:54:03,773-INFO: Finish sampling stage, all batch: 10
2021-08-30 05:54:03,774-INFO: Calculate KL threshold ...
2021-08-30 05:54:28,580-INFO: Update the program ...
2021-08-30 05:54:29,194-INFO: The quantized model is saved in ../outputs/mobilenet_v1
post training quantization finish, and it takes 139.42292165756226.

-----------  Configuration Arguments -----------
batch_size: 20
class_dim: 1000
data_dir: ../dataset/ILSVRC2012_val_100
image_shape: 3,224,224
inference_model: ../outputs/mobilenet_v1
input_img_save_path: ./img_txt
save_input_img: False
test_samples: -1
use_gpu: 0
------------------------------------------------
Testbatch 0, acc1 0.8, acc5 1.0, time 1.63 sec
End test: test_acc1 0.76, test_acc5 0.92
--------finish eval int8 model: mobilenet_v1-------------

    • 参考模型转化方法，利用 opt 工具转换生成 Rockchip NPU 模型，仅需要将 valid_targets 设置为 rockchip_npu,arm 即可。

    $ ./opt --model_dir=mobilenet_v1_int8_224_per_layer \
    --optimize_out_type=naive_buffer \
    --optimize_out=opt_model \
    --valid_targets=rockchip_npu,arm

更新支持 Rockchip NPU 的 Paddle Lite 库

  • 下载 Paddle Lite 源码和 Rockchip NPU DDK

    $ git clone https://github.com/PaddlePaddle/Paddle-Lite.git
$ cd Paddle-Lite
$ git checkout <release-version-tag>
$ git clone https://github.com/airockchip/rknpu_ddk.git

  • 编译并生成 PaddleLite+RockchipNPU for armv8 and armv7 的部署库

    • For RK1808 EVB and TB-RK1808S0 AI计算棒

      • tiny_publish 编译方式

        $ ./lite/tools/build_linux.sh --with_extra=ON --with_log=ON --with_nnadapter=ON --nnadapter_with_rockchip_npu=ON --nnadapter_rockchip_npu_sdk_root=$(pwd)/rknpu_ddk

      • full_publish 编译方式

        $ ./lite/tools/build_linux.sh --with_extra=ON --with_log=ON --with_nnadapter=ON --nnadapter_with_rockchip_npu=ON --nnadapter_rockchip_npu_sdk_root=$(pwd)/rknpu_ddk full_publish

      • 替换头文件和库

        # 替换 include 目录
$ cp -rf build.lite.linux.armv8.gcc/inference_lite_lib.armlinux.armv8.nnadapter/cxx/include/ PaddleLite-generic-demo/libs/PaddleLite/linux/arm64/include/
# 替换 NNAdapter 运行时库
$ cp -rf build.lite.linux.armv8.gcc/inference_lite_lib.armlinux.armv8.nnadapter/cxx/lib/libnnadapter.so PaddleLite-generic-demo/libs/PaddleLite/linux/arm64/lib/rockchip_npu/
# 替换 NNAdapter device HAL 库
$ cp -rf build.lite.linux.armv8.gcc/inference_lite_lib.armlinux.armv8.nnadapter/cxx/lib/librockchip_npu.so PaddleLite-generic-demo/libs/PaddleLite/linux/arm64/lib/rockchip_npu/
# 替换 libpaddle_light_api_shared.so
$ cp -rf build.lite.linux.armv8.gcc/inference_lite_lib.armlinux.armv8.nnadapter/cxx/lib/libpaddle_light_api_shared.so PaddleLite-generic-demo/libs/PaddleLite/linux/arm64/lib/
# 替换 libpaddle_full_api_shared.so (仅在 full_publish 编译方式下)
$ cp -rf build.lite.linux.armv8.gcc/inference_lite_lib.armlinux.armv8.nnadapter/cxx/lib/libpaddle_full_api_shared.so PaddleLite-generic-demo/libs/PaddleLite/linux/arm64/lib/

    • For RK1806/RV1126/RV1109 EVB

      • tiny_publish 编译方式

        $ ./lite/tools/build_linux.sh --arch=armv7hf --with_extra=ON --with_log=ON --with_nnadapter=ON --nnadapter_with_rockchip_npu=ON --nnadapter_rockchip_npu_sdk_root=$(pwd)/rknpu_ddk

      • full_publish 编译方式

        $ ./lite/tools/build_linux.sh --arch=armv7hf --with_extra=ON --with_log=ON --with_nnadapter=ON --nnadapter_with_rockchip_npu=ON --nnadapter_rockchip_npu_sdk_root=$(pwd)/rknpu_ddk full_publish

      • 替换头文件和库

        # 替换 include 目录
$ cp -rf build.lite.linux.armv7hf.gcc/inference_lite_lib.armlinux.armv7hf.nnadapter/cxx/include/ PaddleLite-generic-demo/libs/PaddleLite/linux/armhf/include/
# 替换 NNAdapter 运行时库
$ cp -rf build.lite.linux.armv7hf.gcc/inference_lite_lib.armlinux.armv7hf.nnadapter/cxx/lib/libnnadapter.so PaddleLite-generic-demo/libs/PaddleLite/linux/armhf/lib/rockchip_npu/
# 替换 NNAdapter device HAL 库
$ cp -rf build.lite.linux.armv7hf.gcc/inference_lite_lib.armlinux.armv7hf.nnadapter/cxx/lib/librockchip_npu.so PaddleLite-generic-demo/libs/PaddleLite/linux/armhf/lib/rockchip_npu/
# 替换 libpaddle_light_api_shared.so
$ cp -rf build.lite.linux.armv7hf.gcc/inference_lite_lib.armlinux.armv7hf.nnadapter/cxx/lib/libpaddle_light_api_shared.so PaddleLite-generic-demo/libs/PaddleLite/linux/armhf/lib/
# 替换 libpaddle_full_api_shared.so (仅在 full_publish 编译方式下)
$ cp -rf build.lite.linux.armv7hf.gcc/inference_lite_lib.armlinux.armv7hf.nnadapter/cxx/lib/libpaddle_full_api_shared.so PaddleLite-generic-demo/libs/PaddleLite/linux/armhf/lib/

  • 替换头文件后需要重新编译示例程序

其它说明

  • RK研发同学正在持续增加用于适配 Paddle 算子 bridge/converter，以便适配更多 Paddle 模型。