【AI达人创造营三期】在地平线X3上部署车牌识别系统

一、 项目介绍

本项目属于AI达人创造营三期项目,主要探索如何将PaddleOCR训练的车牌识别模型部署在地平线X3的板子上,并实现实时推理。
项目地址:https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/4730476

二、技术要点

PaddlePaddle之于Arm对应的平台为paddle-lite。paddle-lite主要为c语言,开发及部署难度较大,虽然支持fpga、npu计算加速,但是并不支持本次项目所用到的地平线X3的bpu。
故为实现本项目,需要将paddleocr -> onnx -> onnx bpu的转换路线。

三、项目展示

四、实现教程

本项目涉及的技术栈非常的多,且越往后越难,笔者已实现在地平线使用CPU的推理,但FPS只有1帧。BPU方面虽然转换模型成功了,并貌似实现能推理。但是笔者能力有限和精力有限,并不清楚BPU的推理结果如何转换为可视化结果。
最终并未如笔者所期望,实现完整BPU加速程序。
接下来,笔者将会步步拆解,从易到难(到自己也不懂),还原实现过程。

一)amd64/arm CPU推理篇

本篇主要介绍如何将PaddleOCR模型转换为ONNX模型,转化后的模型均可直接部署于PC和板子上。

  1. PaddleOCR模型训练
    读者可以从此项目 基于PaddleOCR实现的车牌识别 中,获取车牌识别所需的数据集、训练教程,以及hubserving的部署。该教程产出的文本检测及文字识别模型,均为1 eporch,读者可继续优化,本篇不再复述。
  2. PaddleOCR转ONNX
    PaddleOCR已提供一个非常完整的转换教程,见PaddleOCR内的教程 paddle2onnx
    如果是体验arm的cpu,读者完全可以按官方教程,转换上面两个模型即可。后面的bpu部分则需要修改一些参数,才能正常转换为onnx bpu,详见后续说明。
  3. 推理代码
    PaddleOCR官方教程虽然提供了转换教程,但是它展示时用的推理代码,与paddlepaddle耦合在一起,无法直接使用在arm上。正当笔者头痛是要将predict_system.py代码重构,还是走回paddle-lite的老路时,使用了面向百度编程的大招,找到了全网唯一一篇paddleocr转onnx后的推理代码,见 PaddleOCR转ONNX模型(推理部分)
    值得注意,favorxin大佬的代码可能是有点旧,会将rec时的图片resize[3, 32, 100],会导致精度有所损失。本篇教程所用的模型,训练时shape为[3, 48, 320],读者可自行修改。
    至此,几乎不用自己写代码,就已完成大部分工作量,可用于pc、arm环境的demo,前期非常幸运(再次剧透,后期比较痛苦)。
  4. 完整程序代码
    因为增加了摄像头的功能,需读者自行下载data文件夹内的onnx_v1.zip到你本地运行。

    unzip onnx_v1.zip  
    cd /home/aistudio/onnx_v1  
    pip install -r requirements.txt  
    # 0是摄像头的索引,不填时默认为0  
    python3 main.py 0  
    # PS: 按q退出,按空格暂停  

    实际上除了paddle2onnx的模型转换可以在ai studio上执行,其他代码都无法运行

二)地平线X3硬件篇

本篇开篇前,想吐槽一下笔者本次项目的霉运体质。
第一块的板子是Edgeboard,据助教说板子只支持1.8.5的模型,跟着PaddleOCR上的lite教程跑了一遍,果然不行,编译不了。
第二块板子是地平线X3,跟着教程刷机失败,接着让国晟大佬远程帮忙看看咋回事,确定板子是坏的……
第三块也是X3,终于正常了,刷机一气呵成。

  1. 前置准备
    得先说明一下,官方各资源下载点,并不是很统一,得自己仔细寻找,多逛论坛。
    如果只想简单体验,到onnx cpu部署的篇章即可,下载百度网盘的资源包。
    如果想尝试BPU开发,需下载20G+的Docker镜像和工具包。
    以下是本次项目需用到各种软件:

    • MobaXterm,一个非常强大的串口/vnc工具。
    • 进入地平线官方资源中心
      • 串口驱动,3个
        藏在天工开物的工具包中,这个包6G+……建议从百度网盘里下载。
      • SD卡烧录工具 balenaEtcher
      • EMMC烧录工具hbupdate
        同样藏在天工开物的工具包中。
      • 旭日X3派系统镜像(桌面版)(内含EMMC Rom)
      • X3SDB Ubuntu 系统镜像(这个没Desktop,和上面的二选一即可)
    • 天工开物工具包,使用FileZilla匿名打开地址 ftp://vrftp.horizon.ai/Open_Explorer_gcc_9.3.0/2.3.3/
      • Docker交叉编译镜像,15G
      • 天工开物工具包,6G
    • 另一大佬准备好的百度网盘资源包 ,作用基本同上
  2. 烧录系统
    • 安装3个usb转串口驱动,重启
    • 烧录EMMC
      有三种方式可以烧录EMMC,分别为网络、Micro Usb,串口。当板子变砖头了,则需要使用串口方式,本篇以此为例。
      如下图接好串口转Usb线。
      串口方式
      如果驱动、数据线均无问题,会在设备管理器中看到设备COM口。
    • 打开MobaXterm,点击Session -> Serial,设置端口号,波特率921600,Flow control None,保存后双击打开。

      打开Session后,接上电源(如果接了就拔掉重接),此时会看串口输出系统开机信息。
      如果你已经装好了系统,最后会显示linux的命令行登录窗口。
      关闭Session,准备烧录EMMC。
    • EMMC Rom和SD卡系统的选择
      由于一些历史原因,笔者刷机刷了x3 sdb emmc + x3 pi Ubuntu desktop。读者也可尝试x3 pi 的emmc,省点下载时间。
    • 打开hbupdate,按下面红框修改设置,设好后点击开始升级。
      升级时,首先会提示你拔掉电源,拔掉后点击确定,会继续提示接上电源,接上后按确定即可。如无意外,几分钟后会提示安装成功。
      烧录设置
      成功截图
    • 烧录SD卡
      此时你需要一张SD卡及读卡器。
      打开balenaEtcher.exe,选择x3 pi 镜像及SD,点击Flash。
    • 登录系统
      烧录完毕后,拔掉板子电源,插入SD,再次打开MoboXterm,接上电源,输入账号密码root/root。
    • 修改静态IP
      此时默认IP是192.168.1.10,可以按此方式修改IP。

      # 修改设置文件  
      vim /etc/network/interfaces  
      # 保存后重启网络  
      /etc/init.d/networking restart  

      修改静态IP

    • 安装vnc(可选)
      安装命令如下

      # a安装软件包  
      apt install x11vnc  
      # 设置密码  
      # 设置后会有一个保存路径,如果读者用的不是root账号,下面脚本内容要相应修改。  
      x11vnc -storepasswd  
      # 创建开机服务  
      vim /lib/systemd/system/x11vnc.service  

      开机脚本

      [Unit]  
      Description=Start x11vnc at startup.  
      After=multi-user.target  
      [Service]  
      Type=simple  
      ExecStart=/usr/bin/x11vnc -auth guess -forever -loop -capslock -nomodtweak -noxdamage -repeat -rfbauth /root/.vnc/passwd -rfbport 5900 -shared  
      [Install]  
      WantedBy=multi-user.target  

      启动服务

      systemctl daemon-reload  
      systemctl enable x11vnc.service  
      systemctl start x11vnc.service  
      systemctl status x11vnc.service  

      操作完毕后,继续使用MOBAXterm,新建Session -> VNC
      端口在开机脚本中,要一致。
      设置界面
      vnc画面
      需要注意,桌面的默认登录账号密码为sunrise/sunrise。
      故,在这里输入某些命令,是需要加sudo的,不要和上面串口的root账号搞混。

三)ONNX实机测试

笔者以下命令是通过vnc打开板子里的终端操作的,不是串口。
先使用FileZilla上传onnx_v1的代码。
笔者用的是usb 摄像头,使用以下命令查找摄像头。

# 这里会有很多个设备,如果不确定是哪个,先拔掉输入一次命令,再插入输入一次  
ls /dev/video*  
# 改为你上传的路径  
cd /home/sunrise/LPR/onnx_v1/ppocr_onnx  
# 改为你的摄像头索引  
python3 main.py 8  

至此笔者能完整运行的部分,已说明完毕。
下面的BPU篇,笔者能力有限,并未实现一个完整的落地方案。

四)BPU加速推理篇

先重新说明一下转换路线,paddleocr -> onnx -> onnx bpu。
onnx转onnx bpu需要在天工开物的docker交叉编译环境中进行。
首先,强烈建议你读完这两篇文章中的bpu模型转换部分再来操作,否则可能会有点一头雾水。
[BPU部署教程] 一文带你轻松走出模型部署新手村
[BPU部署教程] 教你搞定YOLOV5部署 (版本_ 6.2)
在这两篇文章中,你需要搞懂:

  • 如何用docker搭建交叉编译环境。
    下面是笔者的命令。

    # 笔者用的是Ubuntu虚拟机里运行docker,和上面文章里的不要一样  
    # 第一个-v参数,为了方便上传文件到宿主后,不用再复制进docker容器  
    # 第二个-v参数,是天工开物工具包的文件路径  
    sudo docker run -it --rm \  
    -v /home/walker/horizon:/horizon \  
    -v /home/walker/horizon/horizon_xj3_open_explorer_v2.3.3_20220727:/open_explorer \  
    hub.hobot.cc/aitools/ai_toolchain_centos_7_xj3:v2.3.3  
  • bpu转换模型中yaml配置文件里的参数含义。
    下面是笔者的det和rec的yaml文件,参数含义放在后续结合实例再说。。

    # convert_det.yaml  
    model_parameters:  
    onnx_model: 'model.onnx'  
    output_model_file_prefix: 'model'  
    march: 'bernoulli2'  
    input_parameters:  
    input_type_train: 'bgr'  
    input_layout_train: 'NCHW'  
    input_type_rt: 'nv12'  
    norm_type: 'data_scale'  
    scale_value: 0.003921568627451  
    input_layout_rt: 'NCHW'  
    calibration_parameters:  
    cal_data_dir: './calibration_data'  
    calibration_type: 'max'  
    max_percentile: 0.9999  
    compiler_parameters:  
    compile_mode: 'latency'  
    optimize_level: 'O3'  
    debug: False  
    core_num: 2  
    # convert_rec.yaml  
    model_parameters:  
    onnx_model: 'model.onnx'  
    output_model_file_prefix: 'model'  
    march: 'bernoulli2'  
    input_parameters:  
    input_type_train: 'bgr'  
    input_layout_train: 'NCHW'  
    input_type_rt: 'nv12'  
    norm_type: 'data_scale'  
    scale_value: 0.003921568627451  
    input_layout_rt: 'NCHW'  
    calibration_parameters:  
    cal_data_dir: './calibration_data'  
    calibration_type: 'max'  
    max_percentile: 0.9999  
    compiler_parameters:  
    compile_mode: 'latency'  
    optimize_level: 'O3'  
    debug: False  
    core_num: 2  

    其次,你需要重新回顾paddle2onnx的内容。因为paddleocr的例子,输入的sharp是动态的,需要将sharp修改为静态。
    :exclamation:以下命令在paddlepaddle的环境里执行。

    # 转化det模型  
    paddle2onnx --model_dir ./det/LPR_db_mv3_det/inference ^  
    --model_filename inference.pdmodel ^  
    --params_filename inference.pdiparams ^  
    --save_file ./det/LPR_db_mv3_det/det_onnx/model.onnx ^  
    --opset_version 10 ^  
    --input_shape_dict="{'x':[1,3,480,640]}" ^  
    --enable_onnx_checker True ^  
    --enable_dev_version False  
    # 转化rec模型  
    paddle2onnx --model_dir ./rec/LPR_svtr_mv1e_rec/inference ^  
    --model_filename inference.pdmodel ^  
    --params_filename inference.pdiparams ^  
    --save_file ./rec/LPR_svtr_mv1e_rec/rec_onnx/model.onnx ^  
    --opset_version 10 ^  
    --input_shape_dict="{'x':[1,3,48,320]}" ^  
    --enable_onnx_checker True ^  
    --enable_dev_version False  

    按PaddleOCR官方说明,改为静态精度会有所降低。
    一些说明:

  • 不同版本的paddle2onnx中,支持的参数不一样,笔者用的是1.0.1
  • opset_version,必须小于11,版本过高无法转换为bpu模型。
  • det的input_shape_dict{'x':[1,3,480,640]},对应bpu转换yaml文件的NCHW模式,即{batchsize,颜色,高,宽}。其中高宽是笔者的摄像头分辨率,读者可按实际情况修改。
    摄像头分辨率是2K、4K什么的就按比例缩小吧,高清大图不现实,严重影响推理性能。
  • det的input_shape_dict{'x':[1,3,48,320]},这个是v3模型训练时输入的图像大小。

    按笔者的理解,这两个sharp估计不会减少转换的精度。

:exclamation:以下命令在天工开物的环境操作(docker)执行。
由于笔者没有完整实现,就不放测试代码了,因为比较混乱可能会误导读者。这里以onnx_v1为例。

  • 先把onnx_v1上传到docker里的/horizon文件夹
  • 检查模型是否支持BPU加速。
    # 先cd到output父目录再执行  
    hb_mapper checker --model-type onnx --march bernoulli2 --model output/det/LPR_db_mv3_det/det_onnx/model.onnx  
    hb_mapper checker --model-type onnx --march bernoulli2 --model output/rec/LPR_svtr_mv1e_rec/rec_onnx/model.onnx  

    最后没报错即可。

  • 转换onnx bpu模型
    把上面的yaml文件对应放到det_onnx和rec_onnx里。
    det的转换:

    # 先cd到det_onnx  
    hb_mapper makertbin --config convert_det.yaml --model-type onnx  

    成功转接的截图,bin模型文件会输出在model_output里。

    同理rec的转化:

    # 先cd到rec_onnx  
    hb_mapper makertbin --config convert_det.yaml --model-type onnx  

    截图

:exclamation:以下命令在paddlepaddle的环境里执行

  • 上板测试
    det测试(注意需要sudo权限)

    rec测试

虽然无法确定结果正不正确,但从性能方面分析,det≈220ms,rec<100ms,预估性能从cpu的1帧每秒提升到2~3帧每秒吧。

五、结语

对笔者来说,是首次接触arm方面的编程,过程也是一波三折,借了3块板子才做到现在的程度。只可惜最后还是能力有限,没完成后处理部分,略感遗憾。
至于车牌识别这个立项,是笔者毕业那年所在公司的主营业务。当时笔者作为一个新手,并未接触甚至完全不清楚其中用到什么技术。现在能用自己的技术经验,做个技术路线不一样的车牌识别demo出来,也算是人生的一个回顾吧。