用POT工具实现YOLOv5模型INT8量化

什么是POT工具？

POT工具，全称：Post-training Optimization Tool，即训练后优化工具，主要功能是将YOLOv5 OpenVINO™ FP32 模型进行 INT8 量化，实现模型文件压缩，从而进一步提高模型推理性能。

不同于 Quantization-aware Training 方法，POT使用起来更加简单，在改善 CPU 和硬件加速器延迟的同时缩减模型大小，且几乎不会降低模型准确率，因此广泛地被应用于工业界的量化实践中。

安装POT工具

POT工具已经集成到OpenVINO™ 开发套件中，只需一条命令，可以完成全部内建工具的安装。

pip install openvino-dev

参考链接：https://pypi.org/project/openvino-dev/

OpenVINO内建工具集

POT 命令行方式 vs API方式

POT提供了以下两种使用方式：命令行方式和API方式

• 命令行方式：使用简单，通过命令行运行相应配置文件来调用OpenVINO™ Accuracy Checker Tool预定义DataLoader, Metric, Adapter, Pre/Postprocessing 等模块，这种方式适用于 OpenVINO™ Open Model Zoo 支持模型或类似模型的 INT8 量化。

"engine": {
        "type": "accuracy_checker",
        "config": "./configs/examples/accuracy_checker/mobilenet_v2.yaml"
    }

pot默认调用accuracy_checker, 这个工具默认支持Open Model Zoo的模型，并通过accuracy_checker检查模型精度。accuracy_checker的配置文件accuracy-check.yml文件定义好了adapter、datasets、preprocessing、postprocessing、metrics等。若您将要优化的模型，不在Open Model Zoo里面，则需要用API方式，自定义DataLoader 和 Metric 等。

• API方式：用户通过继承 DataLoader 来定义客制化的数据集加载及预处理模块，通过继承 Metric 来定义客制化的后处理和精度计算的模块，这种方式更加灵活，可以适用不同客制化模型的量化需求。
  
  POT工具API使用方式
  
  由于YOLOv5，并不在Open Model Zoo中，所以本文选择API方式实现YOLOv5模型INT8量化。
  
  YOLOv5不在Open Model Zoo中

用POT工具的API方式实现YOLOv5模型INT8量化

• 第一步：配置YOLOv5和 OpenVINO™开发环境。

git clone https://github.com/ultralytics/yolov5.git
cd yolov5 && pip install -r requirements.txt && pip install openvino-dev[onnx]

• 第二步：导出YOLOv5 OpenVINO IR模型。
  在yolov5路径下，运行

python export.py --weights yolov5s.pt --include onnx openvino

导出YOLOv5 OpenVINO IR模型

以上两步，参考链接：https://github.com/ultralytics/yolov5

• 第三步：准备量化用标定数据集coco128。COCO128数据集是从COCO Train2017中抽取了前128张图片制作的数据集。POT在做训练后INT8量化时，需要一个标定数据，即大约300张的标注图片，coco128数据集很适合做标定数据集。
  标定数据集

在yolov5路径下，运行命令：

python train.py --data data\coco128.yaml

会自动下载coco128数据集：

coco128数据集位置

• 第四步，运行yolov5s_pot_int8_coco128.py

yolov5s_pot_int8_coco128.py运行结果

• 第五步，将量化算法从DefaultQuantization更改为AccuracyAwareQuantization，再次运行，对比不同算法INT8量化结果
  
  DefaultQuantization
  AccuracyAwareQuantization

选择量化算法的最佳工程实践是：先用DefaultQuantization算法，若INT8量化后，精度满足要求，则完成INT8量化任务；若精度不满足下降要求，则运行AccuracyAwareQuantization。
AccuracyAwareQuantization算法会根据量化层对精度下降的贡献，将量化层恢复为浮点精度，直到满足全精度模型所需的精度下降为止，运行时间比DefaultQuantization算法长很多(十倍以上)。
注意，由于 AccuracyAwareQuantization 算法会将部分量化层恢复为浮点精度，所以可能出现AccuracyAwareQuantization算法对模型的加速低于模型完全量化(DefaultQuantization)的速度 。

由于YOLOv5模型预训练参数INT8量化效果相当好，所以DefaultQuantization和AccuracyAwareQuantization算法运行结果几乎是一致的。

dq vs aaq 模型大小比较

运行benchmark_app结果@i7-8700k：

model	latency@CPU	Throughtput@CPU	model size
yolov5s_aaq	90.77ms	44.01 FPS	7.5MB
yolov5s_dq	90.02ms	44.37 FPS	7.4MB
yolov5s_fp16	148.90ms	26.83 FPS	14.3MB
yolov5s_fp32	150.93ms	26.47 FPS	28.6MB

model	latency@iGPU	Throughtput@iGPU	model size
yolov5s_aaq	468.56ms	17.04 FPS	7.5MB
yolov5s_dq	483.24ms	16.52 FPS	7.4MB
yolov5s_fp16	69.59ms	28.71 FPS	14.3MB
yolov5s_fp32	112.10ms	17.83 FPS	28.6MB

结论：INT8是CPU友好精度；FP16是集成显卡友好精度！

参考资料：

1. 《基于 OpenVINO™️ 2022.1 POT API 实现 YOLOv5 模型 INT8 量化 | 开发者实战》
2. 《Quantize the Ultralytics YOLOv5 model and check accuracy using the OpenVINO POT API》