倪辉,喜爱C/C++,腾讯优图实验室基础研究组高级研究员,负责图像和人脸相关的技术研究和软件开发,非常热爱开源社区,系腾讯社交网络事业群首个AI开源项目ncnn负责人。

​

ncnn (GitHub地址:https://github.com/Tencent/ncnn ) 是一个为手机端极致优化的高性能神经网络前向计算框架。ncnn 从设计之初深刻考虑手机端的部署和使用。无第三方依赖,跨平台,手机端 CPU 的速度快于目前所有已知的开源框架。基于 ncnn,开发者能够将深度学习算法轻松移植到手机端高效执行,开发出人工智能 APP,将 AI 带到你的指尖。ncnn 目前已在腾讯多款应用中使用,如 QQ,Qzone,微信,天天P图等。

​

历程和背景

深度学习算法要在手机上落地,现成的 caffe-android-lib 项目依赖太多,手机上基本不支持cuda,需要个又快又小的前向网络实现。单纯的精简 caffe 等框架依然无法满足手机 APP 对安装包大小,运算速度等的苛刻要求。作者在严谨分析后认为,只有全部从零开始设计才能做出适合移动端的前向网络实现,因此从最初的架构设计便以手机端运行为主要原则,考虑了手机端的硬件和系统差异以及调用方式。

经过一年多的持续开发,基本实现了卷积神经网络的所有特性,精细调优后的效率领先目前一切已知的开源框架。ncnn 目前已在腾讯许多APP中使用,经过大量的实践测试,稳定性很好。作为腾讯对开源社区的贡献,希望能为人工智能的发展助力,将更多的深度学习研究成果落地到用户面前,提升人类生活品质。

​

​

同类框架对比

​

​

对比目前已知的同类框架,ncnn是CPU框架中最快,安装包体积最小,跨平台兼容性中最好的。CoreML 是苹果主推的 iOS GPU 计算框架,速度非常快,但仅支持 iOS 11 以上的 iphone 手机,落地受众太狭窄,非开源导致开发者无法自主扩展功能,对开源社区不友好。

​

​

功能概述

支持卷积神经网络,多输入和多分支

ncnn 支持卷积神经网络结构,以及多分支多输入的复杂网络结构,如主流的 vgg、googlenet、resnet、squeezenet 等。

​

​

​

​

​

​

计算时可以依据需求,先计算公共部分和 prob 分支,待 prob 结果超过阈值后,再计算 bbox 分支。

如果 prob 低于阈值,则可以不计算 bbox 分支,减少计算量。

​

无任何第三方库依赖

ncnn 不依赖任何第三方库,完全独立实现所有计算过程,不需要 BLAS/NNPACK 等数学计算库。

​

​

​

纯 C++ 实现,跨平台

ncnn 代码全部使用 C/C++ 实现,以及跨平台的 cmake 编译系统,可在已知的绝大多数平台编译运行,如 Linux,Windows,MacOS,Android,iOS 等。

由于 ncnn 不依赖第三方库,且采用 C++ 03 标准实现,只用到了 std::vector 和 std::string 两个 STL 模板,可轻松移植到其他系统和设备上。

​

汇编级优化,计算速度极快

ncnn 为手机端 CPU 运行做了深度细致的优化,使用 ARM NEON 指令集实现卷积层,全连接层,池化层等大部分 CNN 关键层。

对于寄存器压力较大的 armv7 架构,我们手工编写 neon 汇编,内存预对齐,cache 预缓存,排列流水线,充分利用一切硬件资源,防止编译器意外负优化。

测试手机为 Nexus 6p,Android 7.1.2

​

​

​

​

​

精细的数据结构设计,内存占用极低

在 ncnn 设计之初我们已考虑到手机上内存的使用限制,在卷积层、全连接层等计算量较大的层实现中,没有采用通常框架中的 im2col + 矩阵乘法,因为这种方式会构造出非常大的矩阵,消耗大量内存。因此,ncnn 采用原始的滑动窗口卷积实现,并在此基础上进行优化,大幅节省了内存。在前向网络计算过程中,ncnn 可自动释放中间结果所占用的内存,进一步减少内存占用。

内存占用量使用 top 工具的 RSS 项统计,测试手机为 Nexus 6p,Android 7.1.2。

​

​

​

​

​

支持多核并行计算,优化 CPU 调度

ncnn 提供了基于 openmp 的多核心并行计算加速,在多核心 CPU 上启用后能够获得很高的加速收益。ncnn 提供线程数控制接口,可以针对每个运行实例分别调控,满足不同场景的需求。

针对 ARM big.LITTLE 架构的手机 CPU,ncnn 提供了更精细的调度策略控制功能,能够指定使用大核心或者小核心,或者一起使用,获得极限性能和耗电发热之间的平衡。例如,只使用1个小核心,或只使用2个小核心,或只使用2个大核心,都尽在掌控之中。

​

​

​

整体库体积小于500K,可精简到小于300K

ncnn 自身没有依赖项,且体积很小,默认编译选项下的库体积小于 500K,能够有效减轻手机 APP 安装包大小负担。此外,ncnn 在编译时可自定义是否需要文件加载和字符串输出功能,还可自定义去除不需要的层实现,轻松精简到小于 300K。

​

​

​

​

​

可扩展的模型设计,支持 8bit 量化和半精度浮点存储

ncnn 使用自有的模型格式,模型主要存储模型中各层的权重值。ncnn 模型中含有扩展字段,用于兼容不同权重值的存储方式,如常规的单精度浮点,以及占用更小的半精度浮点和 8bit 量化数。大部分深度模型都可以采用半精度浮点减小一半的模型体积,减少 APP 安装包大小和在线下载模型的耗时。ncnn 带有 caffe 模型转换器,可以转换为 ncnn 的模型格式,方便研究成果快速落地。

​

​

​

​

支持直接内存引用加载网络模型

在某些特定应用场景中,如因平台层 API 只能以内存形式访问模型资源,或者希望将模型本身作为静态数据写在代码里,ncnn 提供了直接从内存引用方式加载网络模型的功能。这种加载方式不会拷贝已在内存中的模型,也无需将模型先写入实体的文件再读入,效率极高。

​

可注册自定义层实现并扩展

ncnn 提供了注册自定义层实现的扩展方式,可以将自己实现的特殊层内嵌到 ncnn 的前向计算过程中,组合出更自由的网络结构和更强大的特性。

​

小伙伴们是不是正准备对ncnn跃跃欲试了呢?小编早就看出你的小心思了,为你准备了源代码放在GitHub上哟,如果觉得对研发,尤其是深度学习有帮助,记得点个star啦!你提出的每一个issue或者Pull Request,都能帮助ncnn完善自我,服务大家。

GitHub地址:https://github.com/Tencent/ncnn

文章来源于腾讯云开发者社区,点击查看原文