Torchvision Adapter

• 简介
• 安装
• 快速上手
• 特性介绍
• 安全声明

简介

本项目开发了Torchvision Adapter插件，用于昇腾适配Torchvision框架。 目前该适配框架增加了对Torchvision所提供的常用算子的支持，后续将会提供基于cv2和基于昇腾NPU的图像处理加速后端以加速图像处理。

安装

前提条件

• 需完成CANN开发或运行环境的安装，具体操作请参考《CANN 软件安装指南》。
• 需完成PyTorch Adapter插件安装，具体请参考 https://gitee.com/ascend/pytorch 。
• Python支持版本为3.7.5，PyTorch支持版本为1.8.1, Torchvision支持版本为0.9.1。
• 需在NPU设备上基于Torchvision源码编译并安装版本为0.9.1的Torchvision wheel包。

安装步骤

1. 安装PyTorch和昇腾插件。

   请参考《Pytorch框架训练环境准备》安装PyTorch和昇腾插件。

2. 编译安装Torchvision。

   按照以下命令进行编译安装。

    git clone https://github.com/pytorch/vision.git
    cd vision
    git checkout v0.9.1
    # 编包
    python setup.py bdist_wheel
    # 安装
    cd dist
    pip3 install torchvision-0.9.*.whl

3. 编译安装Torchvision Adapter插件。

   按照以下命令进行编译安装。

    # 下载master分支代码，进入插件根目录
    git clone -b master https://gitee.com/ascend/vision.git vision_npu
    cd vision_npu
    git checkout v0.9.1
    # 安装依赖库
    pip3 install -r requirement.txt
    # 编包
    python setup.py bdist_wheel
    # 安装
    cd dist
    pip install torchvision_npu-0.9.*.whl

快速上手

运行环境变量

• 设置环境变量脚本，例如：

 # **指的CANN包的安装目录，CANN-xx指的是版本，{arch}为架构名称。
 source /**/CANN-xx/{arch}-linux/bin/setenv.bash

NPU 适配。

以Torchvision的torchvision.ops.nms算子为例，在cuda/cpu环境中，该算子通过如下方法进行调用：

 # 算子的cuda/cpu版本调用
 import torch
 import torchvision
 
 ...
 torchvision.ops.nms(boxes, scores, iou_threshold) # boxes 和 scores 为 CPU/CUDA Tensor

经过安装Torchvision Adapter插件之后，只需增加import torchvision_npu则可按照原生方式调用Torchvision算子。

 # 算子的npu版本调用
 import torch
 import torch_npu
 import torchvision
 import torchvision_npu
 
 ...
 torchvision.ops.nms(boxes, scores, iou_threshold) # boxes 和 scores 为 NPU Tensor

特性介绍

使用cv2图像处理后端

1. Opencv-python版本推荐。推荐使用opencv-python=4.6.0。

    pip3 install opencv-python==4.6.0.66

2. 脚本适配。

   通过以下方式使能Opencv加速，在导入torchvision相关包前导入torchvision_npu包，在构造dataset前设置图像处理后端为cv2：

   # 使能cv2图像处理后端
   
    ...
    import torchvision
    import torchvision_npu # 导入torchvision_npu包
    import torchvision.datasets as datasets
    ...
    torchvision.set_image_backend('cv2') # 设置图像处理后端为cv2
    ...
    train_dataset = torchvision.datasets.ImageFolder(...)
    ...

3. cv2算子适配原则。

   • transforms方法实际调用pillow算子以及tensor算子，cv2算子调用接口与pillow算子调用接口保持一致。

   • cv2算子只支持numpy.ndarray作为入参，否则会直接抛出类型异常。

     TypeError(
         "Using cv2 backend, the image data type should be numpy.ndarray. Unexpected type {}".format(type(img)))

   • cv2算子不支持pillow算子的BOX、HAMMING插值方式，会直接抛类型异常。

     由于pillow算子共有6种插值方式分别是NEAREST、BILINEAR、BICUBIC、BOX、HAMMING、LANCZOS，但cv2算子支持5种插值方式NEAREST、LINEAR 、AREA、CUBIC、LANCZOS4，pillow算子的BOX、HAMMING插值方式存在无法映射cv2算子实现，此时使用cv2图像处理后端会直接抛出TypeError。

     TypeError("Opencv does not support box and hamming interpolation")

   • cv2算子插值底层实现和pillow插值底层实现略有差异，存在图像处理结果差异，因此由插值方式导致的图像处理结果不一致情况为正常现象，通常两者结果以余弦相似度计算，结果近似在99%以内。

4. cv2算子支持列表以及性能加速情况。

   单算子实验结果在arm架构的昇腾芯片910A上获得，单算子实验的cv2算子输入为np.ndarray，pillow算子输入为Image.Image。cv2算子支持列表见表1。

   表 1 cv2算子支持列表

   ops	处理结果是否和pillow完全一致	cv2单算子FPS	pillow单算子FPS	加速比
   to_pil_image	√（只接受tensor或np.ndarray）	-	-
   pil_to_tensor	√	753	2244	-198%
   to_tensor	√	259	240	7.9%
   normalize	√（只接受tensor输入）	-	-
   hflip	√	4629	4230	9.43%
   resized_crop	插值底层实现有差异	1096	445	146.29%
   vflip	√	8795	6587	33.52%
   resize	插值底层实现有差异	1086	504	115.48%
   crop	√	10928	6743	62.06%
   center_crop	√	19267	9606	100.57%
   pad	√	3394	1310	159.08%
   rotate	插值底层实现有差异	1597	1346	18.65%
   affine	插值底层实现差异，仿射矩阵获取也有差异	1604	1287	24.64%
   invert	√	8110	2852	184.36%
   perspective	插值底层实现有差异	674	288	134.03%
   adjust_brightness	√	1174	510	130.20%
   adjust_contrast	√	610	326	87.12%
   adjust_saturation	√	603	385	56.62%
   adjust_hue	底层实现有差异	278	76	265.79%
   posterize	√	2604	2356	10.53%
   solarize	√	3109	2710	14.72%
   adjust_sharpness	底层实现有差异	314	293	7.17%
   autocontrast	√	569	540	5.37%
   equalize	底层实现有差异	764	590	29.49%
   gaussian_blur	底层实现有差异	1190	2	59400%
   rgb_to_grayscale	底层实现有差异	3404	710	379.44%

使用DVPP图像处理后端

1. 设置环境变量。

   # **指的CANN包的安装目录，CANN-xx指的是版本。
   source /**/CANN-xx/latest/bin/setenv.bash

2. 脚本适配。

   通过以下方式使能DVPP加速，在导入torchvision相关包前导入torchvision_npu包，在构造dataset前设置图像处理后端为npu：

   # 使能DVPP图像处理后端
   ...
   import torchvision
   import torchvision_npu # 导入torchvision_npu包
   import torchvision.datasets as datasets
   ...
   torchvision.set_image_backend('npu') # 设置图像处理后端为npu，即使能DVPP加速
   ...
   train_dataset = torchvision.datasets.ImageFolder(...)
   ...

   数据预处理多进程场景下，worker进程默认运行在主进程设置的device上（如无设置默认0）。 可通过set_accelerate_npu接口设置worker进程的device，例如：

   # 设置worker进程的device_id
   ...
   train_dataset = torchvision.datasets.ImageFolder(...)
   train_dataset.set_accelerate_npu(npu=1) # npu参数表示要设置的device_id
   ...

   部分网络脚本的ImageFolder中不包括ToTensor，DataLoader中collate_fn使用自定义的fast_collate，进行数据从PIL.Image.Imgae对象到torch.Tensor的转换。此时，使用DVPP加速需要关闭fast_collate使用默认的defualt_collate。

   ''' 用户脚本中自定义的collate函数 '''
   def fast_collate(batch):
      imgs = [img[0] for img in batch]
      targets = torch.tensor([target[1] for target in batch], dtype=torch.int64)
      w = imgs[0].size[0]
      h = imgs[0].size[1]
      tensor = torch.zeros((len(imgs), 3, h, w), dtype=torch.uint8)
      for i, img in enumerate(imgs):
         nump_array = np.asarray(img, dtype=np.uint8)
         if nump_array.ndim < 3:
               nump_array = np.expand_dims(nump_array, axis=-1)
         # 如果此处没有进行nump_array从(H, W, C)到(C, H, W)的转换，那么转换会放在训练中
         nump_array = np.rollaxis(nump_array, 2)
         tensor[i] += torch.from_numpy(nump_array)
   
      return tensor, targets
   ...
   train_loader = torch.utils.data.DataLoader(
        train_dataset, batch_size=args.batch_size, shuffle=(train_sampler is None),
        num_workers=args.workers, pin_memory=True, sampler=train_sampler,
        # collate_fn=fast_collate, drop_last=True)
        drop_last=True) # 使用collate_fn的默认defualt_collate
   ...
         if 'npu' in args.device:
               # images = images.npu(non_blocking=True).permute(0, 3, 1, 2).to(torch.float).sub(mean).div(std)
               # 如果轴转换放在训练中，使用DVPP加速时需要去掉
               images = images.npu(non_blocking=True).to(torch.float).sub(mean).div(std)
               target = target.npu(non_blocking=True)
   ...

   如果脚本中有多个dataset，希望一些dataset使用DVPP加速，一些使用原生处理，只需要在对应dataset构造前设置相应的处理后端，如：

   ...
   torchvision.set_image_backend('npu') # 设置dataset1的图像处理后端为npu
   dataset1 = torchvision.datasets.ImageFolder(...)
   ...
   torchvision.set_image_backend('PIL') # 设置dataset2的图像处理后端为PIL
   dataset2 = torchvision.datasets.ImageFolder(...)
   ...

3. 执行单元测试脚本。

   输出结果OK即为验证成功。

   cd test/test_npu/
   python -m unittest discover

4. DVPP支持列表

   为如下transforms图像处理方法提供了DVPP处理能力，在设置图像处理后端为npu时，使能DVPP加速。支持接口列表如下表2所示。

   表 2 DVPP支持列表

   transforms	functional	处理结果是否和pillow完全一致	限制
   	default_loader	√	分辨率: 6x4~16384x16384
   ToTensor	to_tensor	√	分辨率: 6x4~4096x8192
   Normalize	normalize	√	分辨率: 6x4~4096x8192
   Resize	resize	底层实现有差异，误差±1左右	分辨率: 6x4~32768x32768
   CenterCrop FiveCrop TenCrop	crop	√	分辨率: 6x4~32768x32768
   Pad	pad	√	分辨率: 6x4~32768x32768 填充值不支持负数
   RandomHorizontalFlip	hflip	√	分辨率: 6x4~4096x8192
   RandomVerticalFlip	vflip	√	分辨率: 6x4~4096x8192
   RandomResizedCrop RandomSizedCrop	resized_crop	底层实现有差异，误差±1左右	分辨率: 6x4~32768x32768 插值模式不支持BICUBIC
   ColorJitter	adjust_hue	底层实现有差异，误差±1左右	分辨率: 6x4~4096x8192
   ColorJitter	adjust_contrast	底层实现有差异，factor在[0,1]时误差±1	分辨率: 6x4~4096x8192
   ColorJitter	adjust_brightness	底层实现有差异，误差±1左右	分辨率: 6x4~4096x8192
   ColorJitter	adjust_saturation	底层实现有差异，factor在[0,1]时误差±1	分辨率: 6x4~4096x8192
   GaussianBlur	gaussian_blur	底层实现有差异，误差±1左右	分辨率: 6x4~4096x8192 kernel_size只支持1、3、5
   RandomAffine	affine	底层实现有差异
   RandomPerspective	perspective	底层实现有差异
   RandomRotation	rotate	底层实现有差异
   Grayscale RandomGrayscale	rgb_to_grayscale	√
   RandomPosterize	posterize	√
   RandomSolarize	solarize	√
   RandomInvert	invert	√

5. 说明。

   只有通过torchvision.datasets.ImageFolder/DatasetFolder构造的dataset才可以使能DVPP加速。

   torchvision.transforms方法对外接口不变，只支持NCHW(N=1)格式的npu tensor作为入参，其他限制见表2。

   物理机场景下，一个device上最多支持64个用户进程，即单p数据预处理进程数最多设置63。

NPU算子支持原生算子列表

对于torchvision中的原生算子支持情况如表3所示。

表 3 NPU支持的原生算子列表

Torchvision Adapter插件的适配方案见适配指导。

安全声明

系统安全加固

推荐运行环境ASLR级别为2，大部分系统默认为2。

查看ASLR级别
 cat /proc/sys/kernel/randomize_va_space

设置ASLR级别为2
 echo 2 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space

运行用户建议

出于安全性及权限最小化角度考虑，不建议使用root等管理员类型账户使用torchvision_npu。

文件权限控制

1. 建议用户在主机（包括宿主机）及容器中设置运行系统umask值为0027及以上，保障新增文件夹默认最高权限为750，新增文件默认最高权限为640。
2. 建议用户对个人数据、商业资产、源文件、训练过程中保存的各类文件等敏感内容做好权限管控。涉及场景如torch_npu和torchvision_npu安装目录权限管控、多用户使用共享数据集权限管控等场景，管控权限可参考表4进行设置。

表 4 文件（夹）各场景权限管控推荐最大值

构建安全声明

Torchvision_npu在源码安装过程中，会依赖torch,torch_npu和torchvision三方库，编译过程中会产生临时编译目录和程序文件。用户可根据需要，对源代码中的文件及文件夹进行权限管控，降低安全风险。

运行安全声明

1.建议用户结合运行环境资源状况编写对应训练脚本。若训练脚本与资源状况不匹配，如数据集加载内存大小超出内存容量限制、训练脚本在本地生成数据超过磁盘空间大小等情况，可能引发错误并导致进程意外退出。

2.Torchvision和torchvision_npu在运行异常时会退出进程并打印报错信息，属于正常现象。建议用户根据报错提示定位具体错误原因，包括通过设定算子同步执行、查看CANN日志、解析生成的Core Dump文件等方式。

公网地址声明

表 5 torchvision_npu的配置文件和脚本中存在的公网地址

公开接口声明

torchvision_npu 不对外暴露任何公开接口。为使torchvison在NPU上运行，我们通过Monkey Patch技术对torchvision原有函数的实现进行替换。用户使用原生torchvision库的接口，运行时执行torchvision_npu库中替换的函数实现。