Darknet学习笔记2:预测部分相关代码解析

  • 在得到相对纯净代码之后,借助VS2013,首先对预测部分代码进行解析。如有分析不当的地方,欢迎指正。
  • 本文分析的代码素材可在https://github.com/SimpleDoger/Darknet_CPU_Only找到,欢迎Watch、Star、Fork
  • 限于篇幅,本文贴出的代码会略有删减
  • 文中出现的流程图为yolov3的运行时函数调用流程图,yolov3没有使用到的相关函数并没有出现在流程图里面。
  • 本文最后有简单的运行时性能分析

1. 总体

网络模型预测部分是一个完整的从输入前向传播到输出的过程。作为具体实现,应当包含这么几个过程:

  1. 加载标签等相关资源
  2. 加载网络模型
  3. 加载待检测图片
  4. 预测
  5. 输出结果

这里从执行命令:

./darknet detect cfg/yolov3.cfg yolov3.weights data/dog.jpg

开始分析得到darknet框架的具体实现及相关函数,总体如下图所示。

整个预测部分的代码总体逻辑放在函数test_detector里面(相关代码段意义已备注出)

void test_detector(char *datacfg, char *cfgfile, char *weightfile, char *filename, float thresh, float hier_thresh, char *outfile, int fullscreen)
{
    // 加载标签相关资源
    list *options = read_data_cfg(datacfg);
    char *name_list = option_find_str(options, "names", "data/names.list");
    char **names = get_labels(name_list);
    image **alphabet = load_alphabet();

    // 加载网络模型
    network *net = load_network(cfgfile, weightfile, 0);
    set_batch_network(net, 1);

    double time;
    char buff[256];
    char *input = buff;
    float nms=.45;
    while(1){
        if(filename){
            strncpy(input, filename, 256);
        } else {
            printf("Enter Image Path: ");
            fflush(stdout);
            input = fgets(input, 256, stdin);
            if(!input) return;
            strtok(input, "\n");
        }
        // 加载待检测图片
        image im = load_image_color(input,0,0);
        // 归一化图片
        image sized = letterbox_image(im, net->w, net->h);
        layer l = net->layers[net->n-1];


        float *X = sized.data;
        time=what_time_is_it_now();

        // 预测
        network_predict(net, X);

        printf("%s: Predicted in %f seconds.\n", input, what_time_is_it_now()-time);

        // 预测框输出
        int nboxes = 0;
        detection *dets = get_network_boxes(net, im.w, im.h, thresh, hier_thresh, 0, 1, &nboxes);
        if (nms) do_nms_sort(dets, nboxes, l.classes, nms);
        // 将预测框绘制到图片上
        draw_detections(im, dets, nboxes, thresh, names, alphabet, l.classes);
        free_detections(dets, nboxes);

        // 输出结果到文件
        if(outfile){
            save_image(im, outfile);
        }
        else{
            save_image(im, "predictions");
        }
        free_image(im);
        free_image(sized);
        if (filename) break;
    }
}

2. 文件加载、输入输出

这部分代码属于服务型代码,同时也占据了大部分代码篇幅。看起来很繁杂,其实相对较为简单。主要分为:

  1. 配置文件的读取
  2. 图片文件的读写
  3. 网络模型文件的加载

从coco.names里加载标签字符串由get_labels函数完成,网络模型的加载总体由load_network函数完成,parse_network_cfg函数读取yolov3.cfg文件并根据文件内的规则完成网络的内存分配。然后load_weights函数加载yolov3.weights权重文件。由于是验证,不牵涉到权重文件的更新。
用到的整个网络模型对象由make_network生成

network *make_network(int n)
{
    network *net = calloc(1, sizeof(network));
    net->n = n;
    net->layers = calloc(net->n, sizeof(layer));
    net->seen = calloc(1, sizeof(size_t));
    net->t    = calloc(1, sizeof(int));
    net->cost = calloc(1, sizeof(float));
    return net;
}

parse_network_cfg函数中会根据LAYER_TYPE的判断来实例化各个层,具体是用调用“parse_***(options, params);”。然后加入到“net”中。

network *parse_network_cfg(char *filename)
{
    list *sections = read_cfg(filename);
    ... ...
    fprintf(stderr, "layer     filters    size              input                output\n");
    while(n){
        params.index = count;
        fprintf(stderr, "%5d ", count);
        s = (section *)n->val;
        options = s->options;
        layer l = {0};
        LAYER_TYPE lt = string_to_layer_type(s->type);
        if(lt == CONVOLUTIONAL){
            l = parse_convolutional(options, params);
        }else if(lt == DECONVOLUTIONAL){
            l = parse_deconvolutional(options, params);
        }else if(lt == LOCAL){
            l = parse_local(options, params);
        ... ...
        }else if(lt == DROPOUT){
            l = parse_dropout(options, params);
            l.output = net->layers[count-1].output;
            l.delta = net->layers[count-1].delta;
        }else{
            fprintf(stderr, "Type not recognized: %s\n", s->type);
        }
    ... ...
    }
    ... ...
    return net;
}

例如parse_convolutional函数:

convolutional_layer parse_convolutional(list *options, size_params params)
{
    int n = option_find_int(options, "filters",1);
    int size = option_find_int(options, "size",1);
    int stride = option_find_int(options, "stride",1);
    int pad = option_find_int_quiet(options, "pad",0);
    int padding = option_find_int_quiet(options, "padding",0);
    int groups = option_find_int_quiet(options, "groups", 1);
    if(pad) padding = size/2;

    char *activation_s = option_find_str(options, "activation", "logistic");
    ACTIVATION activation = get_activation(activation_s);

    int batch,h,w,c;
    h = params.h;
    w = params.w;
    c = params.c;
    batch=params.batch;
    if(!(h && w && c)) error("Layer before convolutional layer must output image.");
    int batch_normalize = option_find_int_quiet(options, "batch_normalize", 0);
    int binary = option_find_int_quiet(options, "binary", 0);
    int xnor = option_find_int_quiet(options, "xnor", 0);

    convolutional_layer layer = make_convolutional_layer(batch,h,w,c,n,groups,size,stride,padding,activation, batch_normalize, binary, xnor, params.net->adam);
    layer.flipped = option_find_int_quiet(options, "flipped", 0);
    layer.dot = option_find_float_quiet(options, "dot", 0);

    return layer;
}

里面前面部分是对[convolutional]字段相关参数的读取。

[convolutional]
batch_normalize=1
filters=64
size=3
stride=2
pad=1
activation=leaky

layer的具体对象由make_convolutional_layer生成。

convolutional_layer make_convolutional_layer(int batch, int h, int w, int c, int n, int groups, int size, int stride, int padding, ACTIVATION activation, int batch_normalize, int binary, int xnor, int adam)
{
    int i;
    convolutional_layer l = {0};
    l.type = CONVOLUTIONAL;
    ... ...
    l.update = update_convolutional_layer;
    if(binary){
        l.binary_weights = calloc(l.nweights, sizeof(float));
        l.cweights = calloc(l.nweights, sizeof(char));
        l.scales = calloc(n, sizeof(float));
    }
    if(xnor){
        l.binary_weights = calloc(l.nweights, sizeof(float));
        l.binary_input = calloc(l.inputs*l.batch, sizeof(float));
    }

    if(batch_normalize){
        l.scales = calloc(n, sizeof(float));
        l.scale_updates = calloc(n, sizeof(float));
        for(i = 0; i < n; ++i){
            l.scales[i] = 1;
        }
        l.mean = calloc(n, sizeof(float));
        ... ...
        l.x_norm = calloc(l.batch*l.outputs, sizeof(float));
    }
    if(adam){
        l.m = calloc(l.nweights, sizeof(float));
        ... ...
        l.scale_v = calloc(n, sizeof(float));
    }
    ... ...
    fprintf(stderr, "conv  %5d %2d x%2d /%2d  %4d x%4d x%4d   ->  %4d x%4d x%4d  %5.3f BFLOPs\n", n, size, size, stride, w, h, c, l.out_w, l.out_h, l.out_c, (2.0 * l.n * l.size*l.size*l.c/l.groups * l.out_h*l.out_w)/1000000000.);
    return l;
}

大部分都是内存的分配以及初始化相关参数相关。
其它层同理。
从源码可以看出,Darknet支持的网络层格式有:

CONVOLUTIONAL,    DECONVOLUTIONAL,    CONNECTED,    MAXPOOL,    SOFTMAX,    DETECTION,    
DROPOUT,    CROP,    ROUTE,    COST,    NORMALIZATION,    AVGPOOL,    LOCAL,    SHORTCUT,    
ACTIVE,    RNN,    GRU,    LSTM,    CRNN,    BATCHNORM,    NETWORK,    XNOR,    REGION,    YOLO,    
ISEG,    REORG,    UPSAMPLE,    LOGXENT,    L2NORM,    BLANK

net对象在内存中实例化完成后,读取yolov3.weights文件,完成“net”网络里参数的加载。主要实现函数是load_weights_upto,通过对网络层类型(type)的判断,决定是load_convolutional_weightsload_batchnorm_weights还是load_connected_weights

void load_weights_upto(network *net, char *filename, int start, int cutoff)
{
    fprintf(stderr, "Loading weights from %s...", filename);
    fflush(stdout);
    FILE *fp = fopen(filename, "rb");
    if(!fp) file_error(filename);
    ... ...
    fread(&major, sizeof(int), 1, fp);
    fread(&minor, sizeof(int), 1, fp);
    fread(&revision, sizeof(int), 1, fp);
    if ((major*10 + minor) >= 2 && major < 1000 && minor < 1000){
        fread(net->seen, sizeof(size_t), 1, fp);
    } else {
        int iseen = 0;
        fread(&iseen, sizeof(int), 1, fp);
        *net->seen = iseen;
    }
    int transpose = (major > 1000) || (minor > 1000);

    int i;
    for(i = start; i < net->n && i < cutoff; ++i){
        layer l = net->layers[i];
        if (l.dontload) continue;
        if(l.type == CONVOLUTIONAL || l.type == DECONVOLUTIONAL){
            load_convolutional_weights(l, fp);
        }
        if(l.type == CONNECTED){
            load_connected_weights(l, fp, transpose);
        }
        if(l.type == BATCHNORM){
            load_batchnorm_weights(l, fp);
        }
        if(l.type == CRNN){
            load_convolutional_weights(*(l.input_layer), fp);
            ... ...
        }
        if(l.type == RNN){
            load_connected_weights(*(l.input_layer), fp, transpose);
            ... ...
        }
        if (l.type == LSTM) {
            load_connected_weights(*(l.wi), fp, transpose);
            ... ...
        }
        if (l.type == GRU) {
            if(1){
                load_connected_weights(*(l.wz), fp, transpose);
                ... ...
            }else{
                load_connected_weights(*(l.reset_layer), fp, transpose);
                ... ...
            }
        }
        if(l.type == LOCAL){
            int locations = l.out_w*l.out_h;
            ... ...
        }
    }
    fprintf(stderr, "Done!\n");
    fclose(fp);
}

以load_convolutional_weights为例,其实实现的也就是将数据赋值到对应的层。

void load_convolutional_weights(layer l, FILE *fp)
{
    if(l.numload) l.n = l.numload;
    int num = l.c/l.groups*l.n*l.size*l.size;
    fread(l.biases, sizeof(float), l.n, fp);
    if (l.batch_normalize && (!l.dontloadscales)){
        fread(l.scales, sizeof(float), l.n, fp);
        fread(l.rolling_mean, sizeof(float), l.n, fp);
        fread(l.rolling_variance, sizeof(float), l.n, fp);
    }
    fread(l.weights, sizeof(float), num, fp);
    if (l.flipped) {
        transpose_matrix(l.weights, l.c*l.size*l.size, l.n);
    }
}

接下来就是图片的读取与保存,通过load_image_color函数读取图片到image结构体。save_image保存到jpg图片。

typedef struct {
    int w;
    int h;
    int c;
    float *data;
} image;

从图片文件中加载到一个image结构体的具体实现代码是load_image_stb

image load_image_stb(char *filename, int channels)
{
    int w, h, c;
    unsigned char *data = stbi_load(filename, &w, &h, &c, channels);
    if (!data) {
        fprintf(stderr, "Cannot load image \"%s\"\nSTB Reason: %s\n", filename, stbi_failure_reason());
        exit(0);
    }
    if(channels) c = channels;
    int i,j,k;
    image im = make_image(w, h, c);
    for(k = 0; k < c; ++k){
        for(j = 0; j < h; ++j){
            for(i = 0; i < w; ++i){
                int dst_index = i + w*j + w*h*k;
                int src_index = k + c*i + c*w*j;
                im.data[dst_index] = (float)data[src_index]/255.;
            }
        }
    }
    free(data);
    return im;
}

比较有意思的是,这样的话,“*data”里面的数据将是“RR...R GG...G BB...B”而不是“RGB RGB ... RGB”
整个流程图如下:

3. 网络预测

前面做了那么多的铺垫,整个预测框架的核心函数其实也就两个:

forward_network (network *net)
get_network_boxes (network *net, int w, int h, float thresh, float hier, int *map, int relative, int *num)

其中forward_network函数写得很巧妙。个人认为“l.forward(l, net);”这句是整个代码中最有灵魂的一句。将函数定义到结构体里面,颠覆了我结构体里面只能放数据这一认识。这一句将根据网络层的不同,选择对应的前向传播函数。

void forward_network(network *netp)
{
    network net = *netp;
    int i;
    for(i = 0; i < net.n; ++i){
        net.index = i;
        layer l = net.layers[i];
        if(l.delta){
            fill_cpu(l.outputs * l.batch, 0, l.delta, 1);
        }
        l.forward(l, net);
        net.input = l.output;
        if(l.truth) {
            net.truth = l.output;
        }
    }
    calc_network_cost(netp);
}

这种做法有点像C++里面的虚函数,在实例化后才知道具体的实现函数。作为forward(struct layer, struct network);这个“虚函数”,它的响应函数有如下26种:

l.forward = forward_activation_layer;
l.forward = forward_avgpool_layer;
l.forward = forward_batchnorm_layer;
l.forward = forward_connected_layer;
l.forward = forward_convolutional_layer;
l.forward = forward_cost_layer;
l.forward = forward_crnn_layer;
l.forward = forward_crop_layer;
l.forward = forward_deconvolutional_layer;
l.forward = forward_detection_layer;
l.forward = forward_dropout_layer;
l.forward = forward_gru_layer;
l.forward = forward_iseg_layer;
l.forward = forward_l2norm_layer;
l.forward = forward_local_layer;
l.forward = forward_logistic_layer;
l.forward = forward_lstm_layer;
l.forward = forward_maxpool_layer;
l.forward = forward_region_layer;
l.forward = forward_reorg_layer;
l.forward = forward_rnn_layer;
l.forward = forward_route_layer;
l.forward = forward_shortcut_layer;
l.forward = forward_softmax_layer;
l.forward = forward_upsample_layer;
l.forward = forward_yolo_layer;

同样,以forward_convolutional_layer为例:

void forward_convolutional_layer(convolutional_layer l, network net)
{
    int i, j;
    fill_cpu(l.outputs*l.batch, 0, l.output, 1);
    if(l.xnor){
        binarize_weights(l.weights, l.n, l.c/l.groups*l.size*l.size, l.binary_weights);
        swap_binary(&l);
        binarize_cpu(net.input, l.c*l.h*l.w*l.batch, l.binary_input);
        net.input = l.binary_input;
    }
    int m = l.n/l.groups;
    int k = l.size*l.size*l.c/l.groups;
    int n = l.out_w*l.out_h;
    for(i = 0; i < l.batch; ++i){
        for(j = 0; j < l.groups; ++j){
            float *a = l.weights + j*l.nweights/l.groups;
            float *b = net.workspace;
            float *c = l.output + (i*l.groups + j)*n*m;
            float *im =  net.input + (i*l.groups + j)*l.c/l.groups*l.h*l.w;
            if (l.size == 1) {
                b = im;
            } else {
                im2col_cpu(im, l.c/l.groups, l.h, l.w, l.size, l.stride, l.pad, b);
            }
            gemm(0,0,m,n,k,1,a,k,b,n,1,c,n);
        }
    }
    if(l.batch_normalize){
        forward_batchnorm_layer(l, net);
    } else {
        add_bias(l.output, l.biases, l.batch, l.n, l.out_h*l.out_w);
    }
    activate_array(l.output, l.outputs*l.batch, l.activation);
    if(l.binary || l.xnor) swap_binary(&l);
}

其中im2col_cpu是将图拉成一个矩阵,可将卷积操作转成两个矩阵相乘。gemm函数就是两个矩阵相乘的实现函数。当存在归一化时,交由forward_batchnorm_layer进行归一化。否则使用add_bias添加偏置项。最终,由activate_array采用对应得激活函数进行激活。整体流程图如下:


get_network_boxes函数实现的是预测框的获取,先交由make_network_boxes,根据阈值,得到预测框的个数,并实例化detection *dets,然后传入fill_network_boxes得到每个预测框的相关信息。完成后,通过do_nms_sort做非极大化抑制。最终,draw_detections画出结果。整体流程如下:

4. 性能分析

整个性能测试在i7-7700K(单核4.2GHz)下完成,用CPU的占用比来评价相对时间占用可能并不严谨。但是从中依然可以得到的结论是:

在预测阶段,绝大部分耗费的时间都是在大矩阵乘法上

因此,在性能优化上来讲,主要目标也就是对矩阵乘法函数gemm函数的优化。这也从侧面证明了并行计算架构的GPU优越性所在。
顺带一提的是,在Linux系统下,预测时间180秒左右,而在Windows下要193秒左右。



从上图分析报告中可以看出,在yolov3的预测中,gemm函数占了90%以上,其次是im2col函数,然后是load_network。
最后,知道该优化哪里了吧。。。再多的奇淫巧计弄在其它地方,可能收获颇微。

----- 逃 -----

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