【TensorRT】使用NVIDIA TensorRT C++部署YOLOv10实现GPU加速

  NVIDIA ® TensorRT ™ 是一款用于高性能深度学习推理的 SDK，包含深度学习推理优化器和运行时，可为推理应用程序提供低延迟和高吞吐量。YOLOv10是清华大学研究人员近期提出的一种实时目标检测方法，通过消除NMS、优化模型架构和引入创新模块等策略，在保持高精度的同时显著降低了计算开销，为实时目标检测领域带来了新的突破。

  在本文中，我们将演示如何使用NVIDIA TensorRT C++ API 部署YOLOv10目标检测模型，实现模型推理加速。下面看一下YOLOv10模型在TensorRT上的运行效果吧：

YOLOv10实现500FPS推理速度，快到离谱！！——使用 TensorRT C++ API 调用GPU加速部署YOLOv10实现快速预测

1. 前言

  TensorRT是NVIDIA官方推出的一个高性能深度学习推理加速引擎，它能够使深度学习模型在GPU上进行低延迟、高吞吐量的部署。TensorRT是基于CUDA和cuDNN的，专门为NVIDIA的GPU进行了优化。TensorRT支持TensorFlow、PyTorch、Caffe、MxNet等深度学习框架。对于MxNet和PyTorch，需要先将其模型转换为中间模型ONNX格式。总的来说，TensorRT是一个强大的深度学习推理加速引擎，通过优化和部署深度学习模型，能够在各种应用场景中实现快速、高效的推理性能。

  YOLOv10是清华大学研究人员近期提出的一种实时目标检测方法，该方法在Ultralytics Python包的基础上进行了多项创新和改进，主要有以下特点

1. 消除非极大值抑制（NMS）：YOLOv10通过引入一致的双重分配策略，在训练时使用一对多的标签分配来提供丰富的监督信号，在推理时使用一对一的匹配，从而消除了对NMS的依赖。这一改进在保持高精度的同时，减少了推理延迟和计算量。
2. 全面优化的模型架构：YOLOv10从推理效率和准确性的角度出发，全面优化了模型的各个组成部分。这包括采用轻量级分类头、空间通道去耦下采样和等级引导块设计等，以减少计算冗余并提高模型性能。
3. 引入大核卷积和部分自注意模块：为了提高性能，YOLOv10在不增加大量计算成本的前提下，引入了大核卷积和部分自注意模块。
4. 多种模型尺寸可选：官方发布了从N到X各种型号的模型，以满足不同应用的需求。这些模型包括超小型版本YOLOv10-N（用于资源极其有限环境）、小型版本YOLOv10-S（兼顾速度和精度）、中型版本YOLOv10-M（通用）、平衡型版本YOLOv10-B（宽度增加，精度更高）、大型版本YOLOv10-L（精度更高，但计算资源增加）以及超大型版本YOLOv10-X（可实现最高的精度和性能）。

  通过广泛的实验验证，YOLOv10在多个模型尺度上实现了卓越的精度-延迟权衡。例如，在COCO数据集上，YOLOv10-S在相似精度下比其他实时目标检测方法更快，同时参数和浮点运算量也大幅减少。综上所述，YOLOv10通过消除NMS、优化模型架构和引入创新模块等策略，在保持高精度的同时显著降低了计算开销，为实时目标检测领域带来了新的突破。

2. 项目开发环境

  下面简单介绍一下项目的开发环境，开发者可以根据自己的设备情况进行配置：

• 系统平台：Windows 11
• 开发平台：Visual Studio 2022
• CUDA：11.4
• CUDNN：8.2.4
• TensorRT：8.6
• OpenCV：4.8.0

  此处代码开发平台使用的是C++，因此在项目配置时，需要配置第三方依赖库，分别是CUDA\CUDNN、TensorRT和OpenCV三个依赖库，其配置方式此处不做详述。

3. 模型获取

3.1 源码下载

  YOLOv10 模型需要源码进行下载，首先克隆GitHub上的源码，输入以下指令：

git clone https://github.com/THU-MIG/yolov10.git
cd yolov10

3.2 配置环境

  接下来安装模型下载以及转换环境，此处使用Anaconda进行程序集管理，输入以下指令创建一个yolov10环境：

conda create -n yolov10 python=3.9
conda activate yolov10
pip install -r requirements.txt
pip install -e .

3.3 下载模型

  首先导出目标识别模型，此处以官方预训练模型为例，首先下载预训练模型文件，然后调用yolo导出ONBNX格式的模型文件，最后使用 OpenVINO™ 的模型转换命令将模型转为IR格式，依次输入以下指令即可：

wget https://github.com/jameslahm/yolov10/releases/download/v1.0/yolov10s.pt
yolo export model=yolov10s.pt format=onnx opset=13 simplify

4. engine模型转换

  首先定义ONNX模型转换Engine格式的代码，如下所示：

#include "opencv2/opencv.hpp"
#include <fstream>
#include <iostream>
#include "cuda.h"
#include "NvInfer.h"
#include "NvOnnxParser.h"

class Logger : public nvinfer1::ILogger
{
    void log(Severity severity, const char* msg) noexcept override
    {
        if (severity <= Severity::kWARNING)
            std::cout << msg << std::endl;
    }
} logger;

void onnxToEngine(const char* onnxFile, int memorySize) {
    // 将路径作为参数传递给函数
    std::string path(onnxFile);
    std::string::size_type iPos = (path.find_last_of('\\') + 1) == 0 ? path.find_last_of('/') + 1 : path.find_last_of('\\') + 1;
    std::string modelPath = path.substr(0, iPos);//获取文件路径
    std::string modelName = path.substr(iPos, path.length() - iPos);//获取带后缀的文件名
    std::string modelName_ = modelName.substr(0, modelName.rfind("."));//获取不带后缀的文件名名
    std::string engineFile = modelPath + modelName_ + ".engine";
    // 构建器，获取cuda内核目录以获取最快的实现
    // 用于创建config、network、engine的其他对象的核心类
    nvinfer1::IBuilder* builder = nvinfer1::createInferBuilder(logger);  // 构建器，获取cuda内核目录以获取最快的实现，用于创建config、network、engine的其他对象的核心类
    const auto explicitBatch = 1U << static_cast<uint32_t>(nvinfer1::NetworkDefinitionCreationFlag::kEXPLICIT_BATCH);  // 定义网络属性
    nvinfer1::INetworkDefinition* network = builder->createNetworkV2(explicitBatch);  // 解析onnx网络文件，tensorRT模型类
    nvonnxparser::IParser* parser = nvonnxparser::createParser(*network, logger);   // 将onnx文件解析，并填充rensorRT网络结构
    
    parser->parseFromFile(onnxFile, 2);  // 解析onnx文件
    for (int i = 0; i < parser->getNbErrors(); ++i) {
        std::cout << "load error: " << parser->getError(i)->desc() << std::endl;
    }
    printf("tensorRT load mask onnx model successfully!!!...\n");

    // 创建推理引擎
    nvinfer1::IBuilderConfig* config = builder->createBuilderConfig();  // 创建生成器配置对象。
    config->setMaxWorkspaceSize(1024 * 1024 * memorySize);  // 设置最大工作空间大小。
    config->setFlag(nvinfer1::BuilderFlag::kFP16);  // 设置模型输出精度
    nvinfer1::ICudaEngine* engine = builder->buildEngineWithConfig(*network, *config);  // 创建推理引擎
    // 将推理文件保存到本地
    std::cout << "try to save engine file now~~~" << std::endl;
    std::ofstream filePtr(engineFile, std::ios::binary);
    if (!filePtr) {
        std::cerr << "could not open plan output file" << std::endl;
        return;
    }
    // 将模型转化为文件流数据
    nvinfer1::IHostMemory* modelStream = engine->serialize();
    // 将文件保存到本地
    filePtr.write(reinterpret_cast<const char*>(modelStream->data()), modelStream->size());
    // 销毁创建的对象
    modelStream->destroy();
    engine->destroy();
    network->destroy();
    parser->destroy();
    std::cout << "convert onnx model to TensorRT engine model successfully!" << std::endl;
}

  通过调用TensorRT模型优化器，可以将ONNX模型进行优化，结合本机GPU设备，进行优化加速，并转换成TensorRT模型支持的模型格式，这一步也可以在模型推理时进行，但是模型优化需要较长时间，因此最好先将模型进行转换。定义好代码后，在主函数中调用即可，如下所示：

onnxToEngine("E:\\Text_Model\\yolov10s.onnx", 50);

5. 定义YOLOv10 Process

5.1 数据预处理

  数据预处理此处通过OpenCV实现，将输入的图片数据转为模型需要的数据情况，代码如下所示：

void preProcess(cv::Mat *img, int length, float* factor, std::vector<float>& data) {
	cv::Mat mat;
    int rh = img->rows;
    int rw = img->cols;
    int rc = img->channels();
	cv::cvtColor(*img, mat, cv::COLOR_BGR2RGB);
    int maxImageLength = rw > rh ? rw : rh;
    cv::Mat maxImage = cv::Mat::zeros(maxImageLength, maxImageLength,CV_8UC3);
    maxImage = maxImage * 255;
    cv::Rect roi (0, 0, rw, rh);
    mat.copyTo(cv::Mat(maxImage, roi));
	cv::Mat resizeImg;
    cv::resize(maxImage, resizeImg, cv::Size(length, length), 0.0f, 0.0f, cv::INTER_LINEAR);
	*factor = (float)((float)maxImageLength / (float)length);
    resizeImg.convertTo(resizeImg, CV_32FC3, 1 / 255.0);
    rh = resizeImg.rows;
    rw = resizeImg.cols;
    rc = resizeImg.channels();
    for (int i = 0; i < rc; ++i) {
        cv::extractChannel(resizeImg, cv::Mat(rh, rw, CV_32FC1, data.data() + i * rh * rw), i);
    }
}

  在调用时也相对简单，将相关变量传入即可，代码如下所示：

Mat frame = new frame();
std::vector<float> inputData(640 * 640 * 3);
float factor = 0;
preProcess(&frame, 640, &factor, inputData);

5.2 结果后处理

  首先此处定义了一个结果类：

struct DetResult {
    cv::Rect bbox;
    float conf;
    int lable;
    DetResult(cv::Rect bbox,float conf,int lable):bbox(bbox),conf(conf),lable(lable){}
};

  然后定义模型的结果处理方式，代码如下所示：

std::vector<DetResult> postProcess(float* result, float factor, int outputLength) {
    std::vector<cv::Rect> positionBoxes;
    std::vector <int> classIds;
    std::vector <float> confidences;
    // Preprocessing output results
    for (int i = 0; i < outputLength; i++)
    {
        int s = 6 * i;
        if ((float)result[s + 4] > 0.2)
        {
            float cx = result[s + 0];
            float cy = result[s + 1];
            float dx = result[s + 2];
            float dy = result[s + 3];
            int x = (int)((cx)* factor);
            int y = (int)((cy)* factor);
            int width = (int)((dx - cx) * factor);
            int height = (int)((dy - cy) * factor);
            cv::Rect box(x, y, width, height);
            positionBoxes.push_back(box);
            classIds.push_back((int)result[s + 5]);
            confidences.push_back((float)result[s + 4]);
        }
    }
    std::vector<DetResult> re;
    for (int i = 0; i < positionBoxes.size(); i++)
    {
        DetResult det(positionBoxes[i], confidences[i], classIds[i]);
        re.push_back(det);
    }
    return re;
}

  最后为了让结果可视化，定义了结果绘制方法，代码如下所示：

void drawBbox(cv::Mat& img, std::vector<DetResult>& res) {
    for (size_t j = 0; j < res.size(); j++) {
        cv::rectangle(img, res[j].bbox, cv::Scalar(255, 0, 255), 2);
        cv::putText(img, std::to_string(res[j].lable) + "-" + std::to_string(res[j].conf), 
            cv::Point(res[j].bbox.x, res[j].bbox.y - 1), cv::FONT_HERSHEY_PLAIN, 
            1.2, cv::Scalar(0, 0, 255), 2);
    }
}

  上述方式调用依旧十分容易，使用代码如下所示：

std::vector<float> output_data(300 * 6);
std::vector<DetResult> result = postProcess(output_data.data(), factor, 300);
drawBbox(frame, result);

6. 模型推理实现

6.1 模型读取与创建推理通道

  首先读取上文中转换的Engine模型，并创建推理通道，用于后文的模型推理，实现代码如下所示：

std::shared_ptr<nvinfer1::IExecutionContext> creatContext(std::string modelPath) {
    // 以二进制方式读取问价
    std::ifstream filePtr(modelPath, std::ios::binary);
    if (!filePtr.good()) {
        std::cerr << "文件无法打开，请确定文件是否可用！" << std::endl;
        return std::shared_ptr<nvinfer1::IExecutionContext>();
    }
    size_t size = 0;
    filePtr.seekg(0, filePtr.end);	// 将读指针从文件末尾开始移动0个字节
    size = filePtr.tellg();	// 返回读指针的位置，此时读指针的位置就是文件的字节数
    filePtr.seekg(0, filePtr.beg);	// 将读指针从文件开头开始移动0个字节
    char* modelStream = new char[size];
    filePtr.read(modelStream, size);
    // 关闭文件
    filePtr.close();
    nvinfer1::IRuntime* runtime = nvinfer1::createInferRuntime(logger);
    nvinfer1::ICudaEngine* engine = runtime->deserializeCudaEngine(modelStream, size);
    return std::shared_ptr<nvinfer1::IExecutionContext>(engine->createExecutionContext());
}

6.2 Yolov10 推理代码

  下面结合一个视频推理，编写TensorRT推理YOLOv10的流程，代码如下所示：

#include "opencv2/opencv.hpp"
#include <fstream>
#include <iostream>
#include "cuda.h"
#include "NvInfer.h"
#include "NvOnnxParser.h"
class Logger : public nvinfer1::ILogger
{
    void log(Severity severity, const char* msg) noexcept override
    {
        // suppress info-level messages
        if (severity <= Severity::kWARNING)
            std::cout << msg << std::endl;
    }
} logger;

void yolov10Infer() {
    const char* videoPath = "E:\\Text_dataset\\car_test.mov";
    const char* enginePath = "E:\\Text_Model\\yolov10s.engine";

    std::shared_ptr<nvinfer1::IExecutionContext> context = creatContext(enginePath);
    cv::VideoCapture capture(videoPath);
    // 检查摄像头是否成功打开
    if (!capture.isOpened()) {
        std::cerr << "ERROR: 视频无法打开" << std::endl;
        return;
    }

    cudaStream_t stream;
    cudaStreamCreate(&stream);

    void* inputSrcDevice;
    void* outputSrcDevice;

    cudaMalloc(&inputSrcDevice, 3 * 640 * 640 * sizeof(float));
    cudaMalloc(&outputSrcDevice, 1 * 300 * 6 * sizeof(float));
    std::vector<float> output_data(300 * 6);
    std::vector<float> inputData(640 * 640 * 3);
    while (true)
    {
        cv::Mat frame;
        if (!capture.read(frame)) {
            break;
        }
        float factor = 0;
    	preProcess(&frame, 640, &factor, inputData);
        cudaMemcpyAsync(inputSrcDevice, inputData.data(), 3 * 640 * 640 * sizeof(float), 
            cudaMemcpyHostToDevice, stream);
        void* bindings[] = { inputSrcDevice, outputSrcDevice };
    	context->enqueueV2((void**)bindings, stream, nullptr);
        cudaMemcpyAsync(output_data.data(), outputSrcDevice, 300 * 6 * sizeof(float),
            cudaMemcpyDeviceToHost, stream);
        cudaStreamSynchronize(stream);
        std::vector<DetResult> result = postProcess(output_data.data(), factor, 300);
        drawBbox(frame, result); 
    	imshow("读取视频", frame);
        cv::waitKey(10);	//延时30
    }
    cv::destroyAllWindows();
}

  通过上诉代码便可以实现使用NVIDIA TensorRT C++部署YOLOv10实现GPU加速。

7. 总结

  在本文中，我们将演示如何使用NVIDIA TensorRT C++ API 部署YOLOv10目标检测模型，实现模型推理加速。最后我们对模型推理速度进行了测试，测试结果如下所示：

   最后如果各位开发者在使用中有任何问题，欢迎大家与我联系。