【专业术语】（计算机 / 深度学习与目标检测 / 轨道交通）

一、 计算机

1 IDE

  集成开发环境，例如：Visual Studio Code；Pycharm等

2 API

  操作系统给应用程序的调用接口

3 CUDA Driver API

1. 与GPU沟通的驱动级别底层API
2. CUDA Driver随显卡驱动发布，与cudatoolkit分开看 CUDA
3. Driver对应于cuda.h和libcuda.so文件
4. 主要知识点是Context的管理机制，以及CUDA系列接口的开发习惯（错误检查方法），还有内存模型

参考链接：https://www.cnblogs.com/marsggbo/p/11838823.html

3.1 cuInit - 驱动初始化

• cuInit的意义是，初始化驱动API，如果不执行，则所有API都将返回错误，全局执行一次即可
• 没有对应的cuDestroy，不需要释放，程序销毁自动释放

3.2 关于context，有两种：

• 手动管理的context，cuCtxCreate（手动管理，以堆栈方式push/pop）
• 自动管理的context，cuDevicePrimaryCtxRetain（自动管理，runtime api以此为基础）

3.3 CUcontext

• context是一种上下文，关联对GPU的所有操作 context与一块显卡关联，一个显卡可以被多个context关联
• 每个线程都有一个栈结构储存context，栈顶是当前使用的context，对应有push、pop函数操作
• context的栈，所有api都以当前context为操作目标
• 试想一下，如果执行任何操作你都需要传递一个device决定送到哪个设备执行，得多麻烦
  
• 由于高频操作，是一个线程基本固定访问一个显卡不变，且只使用一个context，很少会用到多context
• CreateContext、PushCurrent、PopCurrent这种多context管理就显得麻烦，还得再简单
• 因此推出了cuDevicePrimaryCtxRetain，为设备关联主context，分配、释放、设置、栈都不用你管
• primaryContext：给我设备id，给你context并设置好，此时一个显卡对应一个primary context
  不同线程，只要设备id一样，primary context就一样。context是线程安全的
  

4 RuntimeAPI

• 对于runtimeAPI，与driver最大区别是懒加载
• 即，第一个runtime API调用时，会进行cuInit初始化，避免驱动api的初始化窘境
• 即，第一个需要context的API调用时，会进行context关联并创建context和设置当前context，调用cuDevicePrimaryCtxRetain实现
• 绝大部分api需要context，例如查询当前显卡名称、参数、内存分配、释放等
• CUDA Runtime是封装了CUDA Driver的高级别更友好的API
• 使用cuDevicePrimaryCtxRetain为每个设备设置context，不再手工管理context，并且不提供直接管理context的API（可Driver
  API管理，通常不需要）
• 可以更友好的执行核函数，.cpp可以与.cu文件无缝对接
• 对应cuda_runtime.h和libcudart.so
• runtime api随cuda toolkit发布
• 主要知识点是核函数的使用、线程束布局、内存模型、流的使用
• 主要实现归约求和、仿射变换、矩阵乘法、模型后处理，就可以解决绝大部分问题

5 Memory

  内存模型是CUDA中很重要的知识点

• 主要理解pinned memory、global memory、shared memory即可，其他不常用
  

5.1 关于内存，有两大类：

5.1.1 CPU内存，称之为Host Memory

• Pageable Memory：可分页内存
• Page-Locked Memory：页锁定内存

5.1.2 GPU内存，称之为Device Memory

• Global Memory：全局内存
• Shared Memory：共享内存
• …以及其他多种内存

5.2 Pinned Memory

对于整个Host Memory内存条而言，操作系统区分为两个大类（逻辑区分，物理上是同一个东西）：

• Pageable memory，可分页内存
• Page lock memory，页锁定内存

  你可以理解为Page lock memory是vip房间，锁定给你一个人用。而Pageable memory是普通房间，在酒店房间不够的时候，选择性的把你的房间腾出来给其他人交换用，这就可以容纳更多人了。造成房间很多的假象，代价是性能降低

5.2.1 基于前面的理解，我们总结如下：

• pinned memory具有锁定特性，是稳定不会被交换的（这很重要，相当于每次去这个房间都一定能找到你）
• pageable memory没有锁定特性，对于第三方设备（比如GPU），去访问时，因为无法感知内存是否被交换，可能得不到正确的数据（每次去房间找，说不准你的房间被人交换了）
• pageable memory的性能比pinned memory差，很可能降低你程序的优先级然后把内存交换给别人用
• pageable memory策略能使用内存假象，实际8GB但是可以使用15GB，提高程序运行数量（不是速度）
• pinned memory太多，会导致操作系统整体性能降低（程序运行数量减少），8GB就只能用8GB。注意不是你的应用程序性能降低，这一点一般都是废话，不用当回事
• GPU可以直接访问pinned memory而不能访问pageable memory（因为第二条）
  

5.2.2 显卡访问Pinned Memory轨迹

5.2.3 内存方面总结

  原则：

• GPU可以直接访问pinned memory，称之为（DMA Direct Memory Access）
• 对于GPU访问而言，距离计算单元越近，效率越高，所以PinnedMemory
• 代码中，由new、malloc分配的，是pageable memory，由cudaMallocHost分配的是PinnedMemory，由cudaMalloc分配的是GlobalMemory
• 尽量多用PinnedMemory储存host数据，或者显式处理Host到Device时，用PinnedMemory做缓存，都是提高性能的关键

6 stream - 流

1. 流是一种基于context之上的任务管道抽象，一个context可以创建n个流
2. 流是异步控制的主要方式
3. nullptr表示默认流，每个线程都有自己的默认流
4. 要十分注意，指令发出后，流队列中储存的是指令参数，不能加入队列后立即释放参数指针，这会导致流队列执行该指令时指针失效而出错
5. 应当在十分肯定流已经不需要这个指针后，才进行修改或者释放，否则会有非预期结果出现
6. 举个粒子：你给钱让男朋友买西瓜，他刚到店拿好西瓜，你把转的钱撤回去了。此时你无法预知他是否会跟店家闹起来矛盾，还是屁颠的回去。如果想得到预期结果，必须得让卖西瓜结束再处理钱的事情

7 核函数

1. 核函数是cuda编程的关键
2. 通过xxx.cu创建一个cudac程序文件，并把cu交给nvcc编译，才能识别cuda语法
3. __global__表示为核函数，由host调用。__device__表示为设备函数，由device调用
4. __host__表示为主机函数，由host调用。__shared__表示变量为共享变量
5. host调用核函数：function<< stream>>>(args…);
6. 只有__global__修饰的函数才可以用<<<>>>的方式调用
7. 调用核函数是传值的，不能传引用，可以传递类、结构体等，核函数可以是模板
8. 核函数的执行，是异步的，也就是立即返回的
9. 线程layout主要用到blockDim、gridDim
10. 核函数内访问线程索引主要用到threadIdx、blockIdx、blockDim、gridDim这些内置变量

核函数里面，把blockDim、gridDim看作shape，把threadIdx、blockIdx看做index
则可以按照维度高低排序看待这个信息：

8 共享内存

1. 共享内存因为更靠近计算单元，所以访问速度更快
2. 共享内存通常可以作为访问全局内存的缓存使用
3. 可以利用共享内存实现线程间的通信
4. 通常与__syncthreads同时出现，这个函数是同步block内的所有线程，全部执行到这一行才往下走
5. 使用方式，通常是在线程id为0的时候从global memory取值，然后syncthreads，然后再使用

9 Warpaffine

  主要解决图像的缩放和平移，来处理目标检测中常见的预处理行为

1. warpaffine是对图像做平移缩放旋转变换进行综合统一描述的方法
2. 同时也是一个很容易实现cuda并行加速的算法
3. 在深度学习领域通常需要做预处理，比如CopyMakeBorder，RGB->BGR，减去均值除以标准差，BGRBGRBGR -> BBBGGGRRR
4. 如果使用cuda进行并行加速实现，那么可以对整个预处理都进行统一，并且性能贼好
5. 由于warpaffine是标准的矩阵映射坐标，并且可逆，所以逆变换就是其变换矩阵的逆矩阵
6. 对于缩放和平移的变换矩阵，其有效自由度为3
   

二、 深度学习与目标检测

1 TTA(test time augmentation)

  测试时数据增强：指的是在推理（预测）阶段，将原始图片进行水平翻转、垂直翻转、对角线翻转、旋转角度等数据增强操作，得到多张图，分别进行推理，再对多个结果进行综合分析，得到最终输出结果。

2 NMS (Non-maximum suppression)

  非极大抑制：经典NMS最初第一次应用到目标检测中是在RCNN算法中，其实现严格按照搜索局部极大值，抑制非极大值元素的思想来实现的，具体的实现步骤如下：

1. 设定目标框的置信度阈值，常用的阈值是0.5左右
2. 根据置信度降序排列候选框列表
3. 选取置信度最高的框A添加到输出列表，并将其从候选框列表中删除
4. 计算A与候选框列表中的所有框的IoU值，删除大于阈值的候选框
5. 重复上述过程，直到候选框列表为空，返回输出列表
   当NMS的阈值设为0.2时：
   
   python实现：

def nms(bounding_boxes, Nt):
    if len(bounding_boxes) == 0:
        return [], []
    bboxes = np.array(bounding_boxes)

    # 计算 n 个候选框的面积大小
    x1 = bboxes[:, 0]
    y1 = bboxes[:, 1]
    x2 = bboxes[:, 2]
    y2 = bboxes[:, 3]
    scores = bboxes[:, 4]
    areas = (x2 - x1 + 1) * (y2 - y1 + 1)

    # 对置信度进行排序, 获取排序后的下标序号, argsort 默认从小到大排序
    order = np.argsort(scores)

    picked_boxes = []  # 返回值
    while order.size > 0:
        # 将当前置信度最大的框加入返回值列表中
        index = order[-1]
        picked_boxes.append(bounding_boxes[index])

        # 获取当前置信度最大的候选框与其他任意候选框的相交面积
        x11 = np.maximum(x1[index], x1[order[:-1]])
        y11 = np.maximum(y1[index], y1[order[:-1]])
        x22 = np.minimum(x2[index], x2[order[:-1]])
        y22 = np.minimum(y2[index], y2[order[:-1]])
        w = np.maximum(0.0, x22 - x11 + 1)
        h = np.maximum(0.0, y22 - y11 + 1)
        intersection = w * h

        # 利用相交的面积和两个框自身的面积计算框的交并比, 将交并比大于阈值的框删除
        ious = intersection / (areas[index] + areas[order[:-1]] - intersection)
        left = np.where(ious < Nt)
        order = order[left]
    return picked_boxes

3 soft-NMS

  经典NMS算法存在着一些问题：对于重叠物体无法很好的检测。经典NMS算法的做法是直接删除Iou大于阈值的Bounding box；而Soft-NMS则是使用一个基于Iou的衰减函数，降低Iou大于阈值Nt的Bounding box的置信度，IoU越大，衰减程度越大。
python代码

def soft_nms(bboxes, Nt=0.3, sigma2=0.5, score_thresh=0.3, method=2):
    # 在 bboxes 之后添加对于的下标[0, 1, 2...], 最终 bboxes 的 shape 为 [n, 5], 前四个为坐标, 后一个为下标
    res_bboxes = deepcopy(bboxes)
    N = bboxes.shape[0]  # 总的 box 的数量
    indexes = np.array([np.arange(N)])  # 下标: 0, 1, 2, ..., n-1
    bboxes = np.concatenate((bboxes, indexes.T), axis=1)  # concatenate 之后, bboxes 的操作不会对外部变量产生影响
    # 计算每个 box 的面积
    x1 = bboxes[:, 0]
    y1 = bboxes[:, 1]
    x2 = bboxes[:, 2]
    y2 = bboxes[:, 3]
    scores = bboxes[:, 4]
    areas = (x2 - x1 + 1) * (y2 - y1 + 1)

    for i in range(N):
        # 找出 i 后面的最大 score 及其下标
        pos = i + 1
        if i != N - 1:
            maxscore = np.max(scores[pos:], axis=0)
            maxpos = np.argmax(scores[pos:], axis=0)
        else:
            maxscore = scores[-1]
            maxpos = 0
        # 如果当前 i 的得分小于后面的最大 score, 则与之交换, 确保 i 上的 score 最大
        if scores[i] < maxscore:
            bboxes[[i, maxpos + i + 1]] = bboxes[[maxpos + i + 1, i]]
            scores[[i, maxpos + i + 1]] = scores[[maxpos + i + 1, i]]
            areas[[i, maxpos + i + 1]] = areas[[maxpos + i + 1, i]]
        # IoU calculate
        xx1 = np.maximum(bboxes[i, 0], bboxes[pos:, 0])
        yy1 = np.maximum(bboxes[i, 1], bboxes[pos:, 1])
        xx2 = np.minimum(bboxes[i, 2], bboxes[pos:, 2])
        yy2 = np.minimum(bboxes[i, 3], bboxes[pos:, 3])
        w = np.maximum(0.0, xx2 - xx1 + 1)
        h = np.maximum(0.0, yy2 - yy1 + 1)
        intersection = w * h
        iou = intersection / (areas[i] + areas[pos:] - intersection)
        # Three methods: 1.linear 2.gaussian 3.original NMS
        if method == 1:  # linear
            weight = np.ones(iou.shape)
            weight[iou > Nt] = weight[iou > Nt] - iou[iou > Nt]
        elif method == 2:  # gaussian
            weight = np.exp(-(iou * iou) / sigma2)
        else:  # original NMS
            weight = np.ones(iou.shape)
            weight[iou > Nt] = 0
        scores[pos:] = weight * scores[pos:]
    # select the boxes and keep the corresponding indexes
    inds = bboxes[:, 5][scores > score_thresh]
    keep = inds.astype(int)
    return res_bboxes[keep]

4 WBF(weighted boxes fusion)

  加权框融合：假设，我们已经绑定了来自N个不同模型的相同图像的框预测。或者，我们对相同图像的原始和增强版本（即垂直/水平反射，数据增强）有相同模型的N个预测)。

1. 每个模型的每个预测框都添加到List B，并将此列表按置信度得分C降序排列
2. 建立空List L 和 F（用于融合的）
3. 循环遍历B，并在F中找到于之匹配的box（同一类别MIOU > 0.55）
4. 如果 step3 中没有找到匹配的box 就将这个框加到L和F的尾部
5. 如果 step3 中找到了匹配的box 就将这个框加到L，加入的位置是box在F中匹配框的Index.L中每个位置可能有多个框，需要根据这多个框更新对应F[index]的值。
6. F[index]更新方法：x，y对应的是坐标值，对坐标值根据置信值进行加权求和如下图：
   
     NMS/Soft-NMS将只留下一个不准确的框，而WBF将使用所有预测的框来融合它。
   

三、轨道交通

1 ATC 列车自动控制系统

城市轨道交通信号系统通常由列车自动控制系(Automatic Train Control，简称ATC)组成，ATC 系统包括三个子系统:
（1）列车自动监控系统 (Automatic Train Supervision，简称ATS)
（2）列车自动防护子系统(Automatic Train Protection，简称ATP)
（3）列车自动运行系统 (Automatic Train Operation，简称ATO)
三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。

2 ATS 列车自动监控系统

列车自动监控系统 (Automatic Train Supervision，简称ATS)

3 ATP 列车自动防护子系统

列车自动防护子系统(Automatic Train Protection，简称ATP)

4 ATO 列车自动运行系统

列车自动运行系统 (Automatic Train Operation，简称ATO)