【Matting】MODNet：实时人像抠图模型-NCNN C++量化部署

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【Matting】MODNet：实时人像抠图模型-笔记

【Matting】MODNet：实时人像抠图模型-onnx C++部署

MODNet是一个轻量级Matting模型，之前已经使用python部署MODNet的onnx模型，本章节将使用NCNN部署MODNet，除此之外，对模型进行静态量化，使其大小降低原模型的为1/4。

Matting效果如下：

完整的代码和所需权重在文末链接。

---

一、NCNN编译

具体步骤可参考：官方编译教程

1、编译protobuf

下载protobuf：https://github.com/google/protobuf/archive/v3.4.0.zip

打开开始菜单中的x64 Native Tools Command Prompt for VS 2017命令行工具（更高级的版本也可以，我用2022成功了），编译protobuf。

cd 
mkdir build
cd build
cmake -G"NMake Makefiles" -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=%cd%/install -Dprotobuf_BUILD_TESTS=OFF -Dprotobuf_MSVC_STATIC_RUNTIME=OFF ../cmake
nmake
nmake install

2、编译NCNN

克隆NCNN仓库：

git clone https://github.com/Tencent/ncnn.git

编译NCNN（我这里没用Vulkan，需要的话参考官方教程），取代命令中的路径为自己的路径：

cd 
mkdir -p build
cd build
cmake -G"NMake Makefiles" -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=%cd%/install -DProtobuf_INCLUDE_DIR=/build/install/include -DProtobuf_LIBRARIES=/build/install/lib/libprotobuf.lib -DProtobuf_PROTOC_EXECUTABLE=/build/install/bin/protoc.exe -DNCNN_VULKAN=OFF.. -DOpenCV_DIR=C:/opencv/opencv/build
nmake
nmake install

二、NCNN部署 1、环境

windows cpu

opencv 4.5.5

visual studio 2019

2、onnx转ncnn模型

首先将上面得到的简化后的onnx模型转换为ncnn模型(得到param和bin后缀的2个文件)，注意转换的时候要没有报错，不然后续加载会出错：

可以在这里下载转换好的模型：传送门

../ncnn/build/tools/onnx/onnx2ncnn simple_modnet.onnx simple_modnet.param simple_modnet.bin 

3、C++代码

代码结构：

 MODNet.h代码：

#pragma once
#include 
#include "net.h"
#include 
#include "time.h"


class MODNet
{

private:
	std::string param_path;
	std::string bin_path;
	std::vector input_shape;
	ncnn::Net net;

	const float norm_vals[3] = { 1 / 177.5, 1 / 177.5, 1 / 177.5 };
	const float mean_vals[3] = { 175.5, 175.5, 175.5 };

	cv::Mat normalize(cv::Mat& image);
public:
	MODNet() = delete;
	MODNet(const std::string param_path, const std::string bin_path, std::vector input_shape);
	~MODNet();

	cv::Mat predict_image(cv::Mat& image);
	void predict_image(const std::string& src_image_path, const std::string& dst_path);

	void predict_camera();
};

 MODNet.cpp代码：

#include "MODNet.h"


MODNet::MODNet(const std::string param_path, const std::string bin_path, std::vector input_shape)
	:param_path(param_path), bin_path(bin_path), input_shape(input_shape) {
	net.load_param(param_path.c_str());
	net.load_model(bin_path.c_str());
}


MODNet::~MODNet() {
	net.clear();
}


cv::Mat MODNet::normalize(cv::Mat& image) {
	std::vector channels, normalized_image;
	cv::split(image, channels);

	cv::Mat r, g, b;
	b = channels.at(0);
	g = channels.at(1);
	r = channels.at(2);
	b = (b / 255. - 0.5) / 0.5;
	g = (g / 255. - 0.5) / 0.5;
	r = (r / 255. - 0.5) / 0.5;

	normalized_image.push_back(r);
	normalized_image.push_back(g);
	normalized_image.push_back(b);

	cv::Mat out = cv::Mat(image.rows, image.cols, CV_32F);
	cv::merge(normalized_image, out);
	return out;
}


cv::Mat MODNet::predict_image(cv::Mat& image) {
	cv::Mat rgbImage;
	cv::cvtColor(image, rgbImage, cv::COLOR_BGR2RGB);
	ncnn::Mat in = ncnn::Mat::from_pixels_resize(rgbImage.data, ncnn::Mat::PIXEL_RGB, image.cols, image.rows, input_shape[3], input_shape[2]);
	in.substract_mean_normalize(mean_vals, norm_vals);
	ncnn::Extractor ex = net.create_extractor();
	ex.set_num_threads(4);
	ex.input("input", in);
	ncnn::Mat out;
	ex.extract("output", out);

	cv::Mat mask(out.h, out.w, CV_8UC1);
	const float* probMap = out.channel(0);

	for (int i{ 0 }; i < out.h; i++) {
		for (int j{ 0 }; j < out.w; ++j) {
			mask.at(i, j) = probMap[i * out.w + j] > 0.5 ? 255 : 0;
		}
	}
	cv::resize(mask, mask, cv::Size(image.cols, image.rows), 0, 0);
	cv::Mat segFrame;
	cv::bitwise_and(image, image, segFrame, mask = mask);
	return segFrame;
}


void MODNet::predict_image(const std::string& src_image_path, const std::string& dst_path) {
	cv::Mat image = cv::imread(src_image_path);
	cv::Mat segFrame = predict_image(image);
	cv::imwrite(dst_path, segFrame);
}


void MODNet::predict_camera() {
	cv::Mat frame;
	cv::VideoCapture cap;
	int deviceID{ 0 };
	int apiID{ cv::CAP_ANY };
	cap.open(deviceID, apiID);
	if (!cap.isOpened()) {
		std::cout << "Error, cannot open camera!" << std::endl;
		return;
	}
	//--- GRAB AND WRITE LOOP
	std::cout << "Start grabbing" << std::endl << "Press any key to terminate" << std::endl;
	int count{ 0 };
	clock_t start{ clock() }, end{ 0 };
	double fps{ 0 };
	for (;;)
	{
		// wait for a new frame from camera and store it into 'frame'
		cap.read(frame);
		// check if we succeeded
		if (frame.empty()) {
			std::cout << "ERROR! blank frame grabbed" << std::endl;
			break;
		}
		cv::Mat segFrame = predict_image(frame);

		// fps
		++count;
		end = clock();
		fps = count / (float(end - start) / CLOCKS_PER_SEC);
		if (count >= 50) {
			count = 0;  //防止计数溢出
			start = clock();
		}
		std::cout << "FPS: " << fps << "  Seg Image Number: " << count << "   time consume:" << (float(end - start) / CLOCKS_PER_SEC) << std::endl;
		//设置绘制文本的相关参数
		std::string text{ std::to_string(fps) };
		int font_face = cv::FONT_HERSHEY_COMPLEX;
		double font_scale = 1;
		int thickness = 2;
		int baseline;
		cv::Size text_size = cv::getTextSize(text, font_face, font_scale, thickness, &baseline);

		//将文本框居中绘制
		cv::Point origin;
		origin.x = 20;
		origin.y = 20;
		cv::putText(segFrame, text, origin, font_face, font_scale, cv::Scalar(0, 255, 255), thickness, 8, 0);

		// show live and wait for a key with timeout long enough to show images
		imshow("Live", segFrame);
		if (cv::waitKey(5) >= 0)
			break;

	}
	cap.release();
	cv::destroyWindow("Live");
	return;
}

main.cpp代码：

#include 
#include 
#include "MODNet.h"
#include 
#include "net.h"
#include "time.h"


int main() {
	std::string param_path{ "onnx_model\\simple_modnet.param" };
	std::string bin_path{ "onnx_model\\simple_modnet.bin" };
	std::vector input_shape{ 1, 3, 512, 512 };
	MODNet model(param_path, bin_path, input_shape);


	// 预测并显示
	cv::Mat image = cv::imread("C:\\Users\\langdu\\Pictures\\test.png");
	cv::Mat segFrame = model.predict_image(image);
	cv::imshow("1", segFrame);
	cv::waitKey(0);

	// 摄像头
	//model.predict_camera();
	return -1;
}

三、NCNN量化

对于移动设备，对模型大小要求非常苛刻，需要有效地方法来降低其存储空间，量化是一种有效地方法降低模型大小，量化资料可参考：【深度学习】模型量化-笔记/实验

这里使用的是静态量化的方法，量化后模型大小对比：

	bin（KB）	param(KB)
量化前	25236	22
量化后	6442	24

由上表看出，模型经过量化后，其大小仅为原来的1/4左右（预测会有一定的精度损失）。

下面开始量化教程，参考官方教程。

1、模型优化

使用ncnnoptimize（在build\tools目录下）优化模型。

./ncnnoptimize simple_modnet.param simple_modnet.bin quantize_modnet.param quantize_modnet 0

2、创建calibration表

ncnn创建calibration表时，mean和norm参数可以参考这里修改，另外注意pixel设置和MODNet官方repo一致，为BGR。

images文件夹下存放用来校准的图片。

find images/ -type f > imagelist.txt
./ncnn2table quantize_modnet.param quantize_modnet.bin imagelist.txt modnet.table mean=[177.5, 177.5, 177.5] norm=[0.00784, 0.00784, 0.00784] shape=[512, 512, 3] pixel=BGR thread=8 method=kl

3、量化

使用下面的命令得到int8模型。

./ncnn2int8 quantize_modnet.param quantize_modnet-opt.bin modnet_int8.param modnet_int8.bin modnet.table

4、使用

得到了int8模型，使用非常简单，只需要把上面的代码中，bin和param路径替换为生成的int8模型路径即可。

5、量化后预测结果

首先给出未量化的预测结果：

 量化后结果（精度有损失，鞋子预测全了，地板错误多了）：

四、相关链接

1、NCNN部署全部代码+所有模型权重