基于OpenGL ES的深度学习框架编写

背景与工程定位

背景

项目组基于深度学习实现了视频风格化和人像抠图的功能，但这是在PC/服务端上跑的，现在需要移植到移动端，因此需要一个移动端的深度学习的计算框架。

同类型的库

caffe-android-lib 目前应该是最便于集成使用的深度学习框架库。
tensorflow和mxnet据说也有对应的android库，因时间原因暂未测试。
CNNdroid，网址https://zhuanlan.zhihu.com/p/25259452，这个是用
renderscript 作优化的深度学习框架，不过就代码实现和实际测试结果来看，性能一般。

工程定位

实现可实时、体积小、通用的深度学习预测框架。

可实时

跟PC或服务器不同，移动设备上的GPU可不一定有CPU强悍（多线程+neon/vfp），但在需要实时计算的场景（主要是相机预览和视频播放），往往都是基于OpenGL渲染环境的。
实时的情况下，深度学习框架的输入和输出都在GPU端，使用CPU进行计算往往需要拷贝图像出来，算好后再传到GPU端，因此基于GPU实现的深度学习的库能持平CPU版本的效率就有足够优势了。

比如实时抠人像这个case：

对每一帧相机预览产生的数据，系统将其映射为opengl 的一个external texture，然后需要 计算出一个 mask texture，与原先的texture作混合，显示出来。如果mask texture 的计算在cpu上进行，则需要每帧先把 graphicbuffer 的数据拷贝出来，计算出mask后上传到 mask texture 去，产生一来一回两次额外拷贝。

通用

本工程需要支持 caffe 产出的模型文件，支持常见的网络如lenet、ResNet等等。这个工作量包括编写相应层的算子，设计网络结构，解析caffe模型的参数等。
所幸的是，目前在移动端做好深度学习的预测就足够了，相比于兼顾训练的结构至少省去2/3的工作量。

工程实现

方案选型

GPU加速的API

使用GPU加速有如下一些方案：
CUDA、OpenCL、OpenGL（ES）、RenderScript、Metal
CUDA只适用到NVIDIA的GPU，Metal只适用于apple系列，这两个对android设备而言基本不用考虑。
对于OpenCL，虽然有不少移动GPU已经支持，比如 Arm 的 mali 系列（T628之后），且有相应的支持库。但是，一方面由于Android在系统层面上没有支持，没有相应的系统API，兼容性还是比较差，另一方面，OpenCL 操作完成后的内存传到OpenGL还是需要同步一下，会影响效率。
RenderScript 这个坑比较多，文档极少，而且会有跟OpenCL一样的需要跟OpenGL同步的问题，不做考虑。
最后就只剩下 OpenGL ES，为了开发方便，用 Computer shader 实现，尽管会有一定的兼容性牺牲（Android 5.1 及以上，GPU支持openGLES 3.1），但考虑到下面两点是值得的：
1、走渲染管线去实现通用计算，编程复杂且容易出错，调优也很麻烦。有 computer shader之后，编程就跟opencl、metal类似，这些工作量可以大幅降低，大大加快开发。
2、支持OpenGLES 3.1版本的GPU一般都是相对较新的，性能不会太差，能够实现加速的目的。

运算的分配

CNNdroid中仅用GPU加速卷积层的运算，其他还是由CPU+多线程执行。以前我们在早期作gpu加速的预研时，也有过类似的尝试，但是数据传输和同步的性能消耗远大于协同计算带来的性能提升。因此这个工程中，网络中的计算全部由GPU完成，避免数据在CPU和GPU之间反复传输或同步。

另外，GPU驱动在申请内存（分配纹理所需要内存空间）的时间消耗在移动设备端是不可忽略的，因此，不能在运算过程中临时创建纹理或其他Buffer，必须事先分配好。

优化注意点

1、向量化运算
预测时，我们输入神经网络的数据可表示为 w?h?d<script type="math/tex" id="MathJax-Element-296">w*h*d</script>的三维数据。我们将输入数据用一个RGBA32F格式的3D纹理存维，由于每一个像素有4个数值，得到的纹理大小是w?h?ceil(d4)<script type="math/tex" id="MathJax-Element-297">w*h*ceil(\frac{d}{4})</script>。
对于卷积层和内积层，我们把参数存储为mat4的数组，然后其计算就完全是vec4级的向量化运算。

2、合适的localsize设计
与OpenCL不一样，computer shader 必须手动指定 workgroup 的大小，并且指定运行的 workgroup 数量。这两组维度，都是越大越好。
local size 一般而言越大越好，但 computer shader 所需要的寄存器越多，local size 的最大值就越小，考虑到最耗时的卷积shader所能使用的local size 一般也就 64，保守起见都定为64（8乘8）。
不能对齐的情况在shader中处理，比如下面的代码：

void main()
{
    ivec3 pos = ivec3(gl_GlobalInvocationID);
    if (pos.x < MAX_WIDTH && pos.y < MAX_HEIGHT)
    {
        /*Do something*/
    }
}

3、适当地合并/去除layer
如正则层可以直接和上一层合并（末尾加个max处理就行），dropout层可以直接丢弃。
合并可以提升性能（不过不会太多），但最重要的是减少了中间内存。

框架设计

分为两个子模块，引擎模块在客户端上运行，工具模块用来转换caffe的模型文件。

引擎模块

1、数据层
Image 为一个RGBA32F格式的2D Array纹理，SSBO为一种vbo，
全称为GL_SHADER_STORAGE_BUFFER，用于存储自定义类型的数据（主要就是卷积层和内积层的参数）。
Program 为 着色器链接而成的 opengl program，NetInfo 由 proto 定义，用于规定网络结构。
在 shader 中，image 和 SSBO 示例如下：

layout(rgba32f, binding = 0) writeonly uniform highp image2DArray uOutput;//Image
layout(rgba32f, binding = 1) readonly uniform highp image2DArray uInput;//Image
layout(binding = 2) readonly buffer kernel {
    mat4 values[];
} uKernel;//SSBO

2、算子层
包括各类layer的实现，如卷积，正则，内积（全连接），Softmax等。
每一个layer要负责申请自己的输出内存（image）。

3、结构层
根据 NetInfo 的信息，创建各类算子并构成DAG（有向无环图），执行运算并输出结果。

下图是lenet的dag示例：

工具模块

包括一个结构转换器、参数初始化和拷贝工具。拷贝工具是比较容易出错的，因为卷积层和内积层的参数需要补零对齐及重排。

性能与效果

跟开源的 caffe-android-lib 对比
https://github.com/sh1r0/caffe-android-lib

库大小

caffe-android-lib 11M
DeeplearningOGL 440K
全自主开发的，毫无疑问要小很多很多。

运行效率

Oppo R9 （MT6755， GPU: Mali-T860）上的测试结果：
连续运行十次，去除第一次的结果（移动设备上一般都是动态调频的，第一次跑的时候CPU/GPU的频率还没调起来，会比较慢）。
Lenet 网络：
caffe-android-lib：5.0~5.2ms（线程设为4）
DeeplearningOGL：3.6-3.8 ms

较CPU版本（包含了neon与多线程优化）提升了 50%左右的效率，已经大大超出预期了，在GPU更好的机器上（如mate8上）表现会更佳。
相比于 CNNdroid 更是好很多了。

人像抠图的场景很流畅，且不需要隔帧计算。