【CANN训练营笔记】OrangePI AIPro 体验手写体识别模型训练与推理
【摘要】 Come CANN camp, day day up!
CANN 简介
当我们谈到香橙派AIPro的时候,总会把她和昇腾生态关联起来，因为在昇腾芯片的加持下，这款开发板有着出色的算力，被众多开发者追捧。而谈到昇腾芯片，我们不得不提上层的 AI 异构计算架构 CANN。
异构计算架构CANN（Compute Architecture for Neural Networks）是华为针对AI场景推出的异构计算架构，向上支持多种AI框架，包括MindSpore、PyTorch、TensorFlow等，向下服务AI处理器与编程，发挥承上启下的关键作用，是提升昇腾AI处理器计算效率的关键平台。同时针对多样化应用场景，提供多层次编程接口，支持用户快速构建基于昇腾平台的AI应用和业务。
从上面的CANN 逻辑架构图中,我们可以看到 CANN 起到了一个重要的承上启下的作用,为下层的昇腾 AI 算力资源提供了统一的编程接口去调度，对上层适配了主流的 AI 框架，使得整个 AI 开发体系更加强壮。整个 CANN 的关键功能特性包括：
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应用开发：简单来说，就是提供统一的API框架，实现对所有资源的调用。
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模型开发：提供了模型迁移工具，支持将 PyTorch、TensorFlow等开源框架网络模型快速迁移到昇腾平台。
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算子开发：提供了超过 1400 个硬件亲和的高性能算子，覆盖主流 AI 框架的算子加速需求，还支持自定义算子开发。
今天，我们的实践内容主要集中在应用开发和模型开发，我们训练一个手写体识别模型并进行推理。
MNIST & EMNIST 数据集介绍
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MNIST数据集（Modified National Institute of Standards and Technology database）是一个用来训练各种图像处理系统的二进制图像数据集，广泛应用于机器学习中的训练和测试。
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该数据集是从NIST的两个手写数字数据集：Special Database 3 和Special Database 1中分别取出部分图像，并经过一些图像处理后得到的。
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MNIST数据集共有70000张图像，其中训练集60000张，测试集10000张。所有图像都是28×28的灰度图像，每张图像包含一个手写数字。
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EMNIST全称为Extended MNIST，是NIST Special Database 19的扩展数据集，包含了字母和数字，比MNIST的内容更多。
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EMNIST数据集主要分为以下几类：By_Class、By_Merge、Balanced、Digits、Letters和MNIST。
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By_Class和By_Merge共有814255张图片，Balanced类有131600张图片，Digits类有28000张图片，Letters类有145600张图片，MNIST类有70000张图片。
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这些数据集的处理方式跟MNIST保持一致，也是为了方便已经熟悉MNIST的开发者去使用。
Pytorch 训练及迁移
Pytorch 训练基本流程是怎么样的？首先，我们训练的输入是我们的数据集，它包含了我们的图片和标签，标签就是表明图片的真实值是多少，比如说图片画的是0，那它的标签就是0；然后，我们对数据集进行处理，把它封装进 DataSet 的数据格式里， 主要用来下载数据集以及对数据集进行预处理，如 Resize、归一化等等，这些操作使用得当可以提升训练效果并加速训练，DataLoader 定义如何取数据，一个重要的参数是 batchsize ，它决定了我们每次训练他一次会取多少张图片， 比如 batchsize = 4 ，那么一次训练会取四张图片出来进行训练；接着就是前向传播，也就是让这个输入经过整个模型得到一个推理的结果，通过损失函数计算 loss 值，使用反向传播、权重更新来迭代模型，权重更新会用到优化器，也就是决定了我们权重更新是如何更新的，因此这里比较重要的参数就是我们的学习率，也就是 learning rate（lr），它决定了每一次训练权重更新的幅度是大还是小；最后就是训练结束保持模型。以 mnist 数据集为例，当我们设置
epochs 为 5 、batchsize为 64 时，这意味着我们将遍历整个训练集 5 次。在每个 “epoch” 中，我们都会遍历所有的批次（每个批次包含 64 个样本），对每个批次进行前向传播、计算损失、反向传播和更新权重。这样，模型就可以在每个 “epoch” 中学习到数据集中的信息，并逐步改进其预测性能。在每个 “epoch” 结束时，我们打印出平均损失，以便观察模型的学习过程。综合上述，在 Pytorch 训练过程中，我们可以适当调整三个重要参数：batchsize、epoch、LR，除此之外，我们还可以尝试修改损失函数、优化器来调教模型。
将基于PyTorch的训练脚本迁移到昇腾AI处理器上进行训练，目前有以下3种方式：自动迁移（推荐）、工具迁移、手工迁移，且迁移前要保证该脚本能在GPU、CPU上运行。推荐用户使用最简单的自动迁移方式。
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自动迁移
仅PyTorch 1.11.0版本及以上使用
import torch
import torch_npu
.....
from torch_npu.contrib import transfer_to_npu-
工具迁移工具迁移推荐使用命令行方式： msFmkTransplt
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手工迁移
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单卡迁移
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导入NPU相关库
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迁移适配GPU的模型脚本，指定NPU作为训练设备
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替换CUDA接口：将训练脚本中的CUDA接口替换为NPU接口，例如CUDA接口、模型、损失函数、数据集等迁移到NPU上
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多卡迁移
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除单卡迁移包含的3个修改要点外，在分布式场景下，还需要切换通信方式，直接修改init_process_group的值。
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自动混合精度（AMP）推荐使用PyTorch1.11.0及以上版本框架内置的AMP功能模块来使能混合精度训练。
手写体识别模型训练与推理
环境介绍
开发板：OrangePi AI Pro 8G
NPU：Ascend 310B4
CANN：7.0
Pytorch：2.1.0 + torchvision 0.16.0 + torch-npu 2.1.0rc1
代码获取
本次实践代码来源于 Ascend 社区的仓库：https://gitee.com/ascend/EdgeAndRobotics/tree/master/Samples/HandWritingTrainAndInfer
git clone https://gitee.com/ascend/EdgeAndRobotics
cd EdgeAndRobotics/Samples/HandWritingTrainAndInfer依赖安装
# torch_npu由于需要源码编译,速度可能较慢,本样例提供 python3.9,torch2.1版本的torch_npu whl包
wget https://obs-9be7.obs.cn-east-2.myhuaweicloud.com/wanzutao/torch_npu-2.1.0rc1-cp39-cp39-linux_aarch64.whl
# 使用pip命令安装
pip3 install torch_npu-2.1.0rc1-cp39-cp39-linux_aarch64.whl
# 安装其他依赖
# PyTorch2.1版本
pip3 install -r requirements.txt模型训练（CPU）
python main-cpu.py模型训练（NPU）
python main.py我们从本案例看看 Pytroch 模型迁移训练，主要改动如下：
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导入NPU相关库,
import torch import torch_npu # 此处还导入 AMP 模块，训练时自动混合精度 from torch_npu.npu import amp
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迁移适配GPU的模型脚本，指定NPU作为训练设备
device = torch.device('npu:0') #... imgs = imgs.to(device) # 把img数据放到指定NPU上 labels = labels.to(device) # 把label数据放到指定NPU上 #... #... # 把模型放到指定NPU上 model = CNN().to(device) # 定义损失函数 loss_func = nn.CrossEntropyLoss().to(device) #...
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开启AMP进行训练
for batch_idx,(imgs, labels) in enumerate(train_dataloader): data_time.update(time.time() - end) # 把img数据放到指定NPU上 imgs = imgs.to(device) # 把label数据放到指定NPU上 labels = labels.to(device) # 设置amp with amp.autocast(): # 前向计算 outputs = model(imgs) # 损失函数计算 loss = criterion(outputs, labels) optimizer.zero_grad() # 进行反向传播前后的loss缩放、参数更新 # loss缩放并反向转播 scaler.scale(loss).backward() # 更新参数（自动unscaling） scaler.step(optimizer) # 基于动态Loss Scale更新loss_scaling系数 scaler.update() #... scaler = amp.GradScaler() # 在模型、优化器定义之后，定义GradScaler #...
训练完成之后我们分别得到了 `mnist.pt` 和 `mnist-npu.pt` 。接着我们可以使用训练出来的模型进行推理，虽然我们可以直接用来推理，但业界常规的操作都是将 `.pt --> .onnx`,也许是 ONNX（Open Neural Network Exchange）是更具开放性的模型格式，它允许模型在不同的深度学习框架之间进行转换，更易于支持不同的硬件平台。
在线推理
首先将 pt 模型到处为 onnx ：
import torch
import torch.nn as nn
# CNN类定义
class CNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(CNN, self).__init__()
self.net = nn.Sequential(
nn.Conv2d(in_channels = 1, out_channels = 16,
kernel_size = (3, 3),
stride = (1, 1),
padding = 1),
nn.MaxPool2d(kernel_size = 2),
nn.Conv2d(16, 32, 3, 1, 1),
nn.MaxPool2d(2),
nn.Flatten(),
nn.Linear(32*7*7, 16),
nn.ReLU(),
nn.Linear(16, 10)
)
def forward(self, x):
return self.net(x)
device = torch.device('cpu')
# 加载训练的pt模型,如 mnist.pt
model = torch.load("./mnist.pt",map_location=device)
# 切换评估模式
model.eval()
# 指定输入输出节点名称
input_names = ['input']
output_names = ['output']
# 构造输入
x = torch.randn(1,1,28,28,requires_grad=True)
# onnx导出
torch.onnx.export(model, x, 'mnist.onnx', input_names=input_names, output_names=output_names, verbose='True')
执行 `python3 export.py `, 在当前路径下生成 mnist.onnx 模型
执行在线推理：
# 下载测试图片，也可自行准备
cd data
wget https://obs-9be7.obs.cn-east-2.myhuaweicloud.com/wanzutao/mnist/8.jpg
# 执行推理在线
cd ../onnxInfer/
python3 infer.py推理成功返回：
[inferssession_time:326 pictures/s] [output:8]离线推理
先进行模型转换 `onnx -> om`: 使用 ATC 模型转换工具将模型转换为昇腾AI处理器能识别的模型（*.om）。
# 获取测试图片数据
cd omInfer/data
wget https://obs-9be7.obs.cn-east-2.myhuaweicloud.com/wanzutao/mnist/8.jpg
# 拷贝模型
cd ../model
cp ../../mnist.onnx ./
# 获取AIPP配置文件
wget https://obs-9be7.obs.cn-east-2.myhuaweicloud.com/wanzutao/mnist/ecs/aipp.cfg
# 模型转换
atc --model=mnist.onnx --framework=5 --insert_op_conf=aipp.cfg --output=mnist --soc_version=Ascend310B4执行离线推理
# 编译源码
cd ../scripts
bash sample_build.sh
# 离线推理
bash sample_run.sh执行成功输出：
value[1.000000] output[8]EMNIST 训练介绍
最后我们简单过一下 EMNIST 数据集训练，与 MNIST 不同点在于：
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加入了验证集，且数据下载时添加 ` split="letters"`
# 数据集获取
# 训练集
train_data = torchvision.datasets.EMNIST(
"./dataset",
split="letters",
download = True,
train = True,
transform = torchvision.transforms.Compose([
torchvision.transforms.ToTensor(),
torchvision.transforms.RandomRotation(degrees=(90, 90)),
torchvision.transforms.RandomVerticalFlip(p=1),
])
)
# 验证集
val_data = torchvision.datasets.EMNIST(
"./dataset",
split="letters",
download = True,
train = False,
transform = torchvision.transforms.Compose([
torchvision.transforms.ToTensor(),
torchvision.transforms.RandomRotation(degrees=(90, 90)),
torchvision.transforms.RandomVerticalFlip(p=1),
])
)-
神经网络有稍微调整：
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class CNN(nn.Module): def __init__(self): super(CNN, self).__init__() self.net = nn.Sequential( nn.Conv2d(in_channels = 1, out_channels = 16, kernel_size = (5, 5), stride = (1, 1), padding = 2), nn.ReLU(), nn.MaxPool2d(kernel_size = 2), nn.Conv2d(16, 32, 5, 1, 2), nn.ReLU(), nn.MaxPool2d(2), nn.Flatten(), nn.Linear(32*7*7, 27) # 索引从 1 开始，因此 26 个字母是 27 ) def forward(self, x): return self.net(x)
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