PyTorch 模型 onnx 文件导出及调用详情

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前言

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PyTorch 所定义的模型为动态图，其前向传播是由类方法定义和实现的

但是 Python 代码的效率是比较底下的，试想把动态图转化为静态图，模型的推理速度应当有所提升

PyTorch 框架中，torch.onnx.export 可以将父类为 nn.Module 的模型导出到 onnx 文件中，

最重要的有三个参数：

model：父类为 nn.Module 的模型args：传入 model 的 forward 方法的变量列表，类型应为tuplef：onnx 文件名称的字符串

import torch
from torchvision.models import resnet50
 
file = 'resnet.onnx'
# 声明模型
resnet = resnet50(pretrained=False).eval()
image = torch.rand([1, 3, 224, 224])
# 导出为 onnx 文件
torch.onnx.export(resnet, (image,), file)

onnx 文件可被 Netron 打开，以查看模型结构



基本用法

要在>

# 选其一即可
pip install onnxruntime        # CPU 版本
pip install onnxruntime-gpu    # GPU 版本

推理时需要借助其中的 InferenceSession，其中较为重要的实例方法有：

get_inputs()：得到输入变量的列表 (变量属性：name、shape、type)get_outputs()：得到输入变量的列表 (变量属性：name、shape、type)run(output_names, input_feed)：输入变量为 numpy.ndarray (注意 dtype 应为 float32)，使用模型推理并返回输出

可得出 onnx 模型的基本用法：

import onnxruntime as ort
import numpy as np
file = 'resnet.onnx'
# 找到 GPU / CPU
provider = ort.get_available_providers()[
    1 if ort.get_device() == 'GPU' else 0]
print('设备:', provider)
# 声明 onnx 模型
model = ort.InferenceSession(file, providers=[provider])
# 参考: ort.NodeArg
for node_list in model.get_inputs(), model.get_outputs():
    for node in node_list:
        attr = {'name': node.name,
                'shape': node.shape,
                'type': node.type}
        print(attr)
    print('-' * 60)
 
# 得到输入、输出结点的名称
input_node_name = model.get_inputs()[0].name
ouput_node_name = [node.name for node in model.get_outputs()]
image = np.random.random([1, 3, 224, 224]).astype(np.float32)
print(model.run(output_names=ouput_node_name,
                input_feed={input_node_name: image}))

高级>

为了简化使用步骤，使用类进行封装：

class Onnx_Module(ort.InferenceSession):
    ''' onnx 推理模型
        provider: 优先使用 GPU'''
    provider = ort.get_available_providers()[
        1 if ort.get_device() == 'GPU' else 0]
 
    def __init__(self, file):
        super(Onnx_Module, self).__init__(file, providers=[self.provider])
        # 参考: ort.NodeArg
        self.inputs = [node_arg.name for node_arg in self.get_inputs()]
        self.outputs = [node_arg.name for node_arg in self.get_outputs()]
 
    def __call__(self, *arrays):
        input_feed = {name: x for name, x in zip(self.inputs, arrays)}
        return self.run(self.outputs, input_feed)

在 PyTorch 中，对于卷积神经网络 model 与图像 image，推理的代码为 "model(image)"，而使用这个封装的类也是类似：

import numpy as np
file = 'resnet.onnx'
model = Onnx_Module(file)
image = np.random.random([1, 3, 224, 224]).astype(np.float32)
print(model(image))

为了方便观察 Torch 模型与 onnx 模型的速度差异，同时检查两个模型的输出是否一致，又编写了 test 函数

test 方法的参数与 torch.onnx.export 一致，其基本流程为：

得到 Torch 模型的输出，并 print 推断耗时将 Torch 模型导出为 onnx 文件，将输入变量中的 torch.tensor 转化为 numpy.ndarray初始化 onnx 模型，得到 onnx 模型的输出，并 print 推断耗时计算 Torch 模型与 onnx 模型输出的绝对误差的均值将 onnx 模型 return

class Timer:
    repeat = 3
 
    def __new__(cls, fun, *args, **kwargs):
        import time
        start = time.time()
        for _ in range(cls.repeat): fun(*args, **kwargs)
        cost = (time.time() - start) / cls.repeat
        return cost * 1e3  # ms
 
 
class Onnx_Module(ort.InferenceSession):
    ''' onnx 推理模型
        provider: 优先使用 GPU'''
    provider = ort.get_available_providers()[
        1 if ort.get_device() == 'GPU' else 0]
 
    def __init__(self, file):
        super(Onnx_Module, self).__init__(file, providers=[self.provider])
        # 参考: ort.NodeArg
        self.inputs = [node_arg.name for node_arg in self.get_inputs()]
        self.outputs = [node_arg.name for node_arg in self.get_outputs()]
    def __call__(self, *arrays):
        input_feed = {name: x for name, x in zip(self.inputs, arrays)}
        return self.run(self.outputs, input_feed)
 
    @classmethod
    def test(cls, model, args, file, **export_kwargs):
        # 测试 Torch 的运行时间
        torch_output = model(*args).data.numpy()
        print(f'Torch: {Timer(model, *args):.2f} ms')
        # model: Torch -> onnx
        torch.onnx.export(model, args, file, **export_kwargs)
        # data: tensor -> array
        args = tuple(map(lambda tensor: tensor.data.numpy(), args))
        onnx_model = cls(file)
        # 测试 onnx 的运行时间
        onnx_output = onnx_model(*args)
        print(f'Onnx: {Timer(onnx_model, *args):.2f} ms')
        # 计算 Torch 模型与 onnx 模型输出的绝对误差
        abs_error = np.abs(torch_output - onnx_output).mean()
        print(f'Mean Error: {abs_error:.2f}')
        return onnx_model

对于 ResNet50 而言，Torch 模型的推断耗时为 172.67 ms，onnx 模型的推断耗时为 36.56 ms，onnx 模型的推断耗时仅为 Torch 模型的 21.17%

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