【雕爷学编程】MicroPython动手做（10）——零基础学MaixPy之神经网络KPU2

KPU的基础架构
让我们回顾下经典神经网络的基础运算操作：
卷积（Convolution）:1x1卷积，3x3卷积，5x5及更高的卷积
批归一化（Batch Normalization）
激活（Activate）
池化（Pooling）
矩阵运算（Matrix Calculate）:矩阵乘，加
对于基础的神经网络结构，仅具备1,2,3,4 四种操作；
对于新型网络结构，比如ResNet，在卷积结果后会加一个变量，就需要使用第五种操作，矩阵运算。
对于MAIX的主控芯片K210来说，它内置实现了 卷积，批归一化，激活，池化 这4钟基础操作的硬件加速，但是没有实现一般的矩阵运算，所以在实现的网络结构上有所限制。
对于需要额外操作的网络结构，用户必须在硬件完成基础操作后，手工插入CPU干预的处理层实现，会导致帧数降低，所以建议用户优化自己的网络结构到基础网络形式。
所幸的是，该芯片的第二代将支持通用矩阵计算，并固化更多类型的网络结构。
在KPU中，上述提到的4种基础操作并非是单独的加速模块，而是合成一体的加速模块，有效避免了CPU干预造成的损耗，但也丧失了一些操作上的灵活性。
从standalone sdk/demo 以及 Model Compiler 中分析出 KPU加速模块的原理框图如下，看图即懂。

#MicroPython动手做（10）——零基础学MaixPy之神经网络KPU
#实验程序之一：运行人脸识别demo（简单演示）
#模型下载地址：http://dl.sipeed.com/MAIX/MaixPy/model/face_model_at_0x300000.kfpkg
下载后模型文件夹内有二个文件

打开kflash_gui
使用kfpkg将 二个模型文件 与 maixpy 固件打包下载到 flash

打包kfpkg时出错，好像是文件地址范围不同…

尝试多次一直不行，两者不兼容。后来干脆不打包了，只烧录模型文件kfpkg（原来烧录过MaixPy固件V0.4.0）,没想到可以了，这下明白了，固件和模型分开烧录也行。

#MicroPython动手做（10）——零基础学MaixPy之神经网络KPU
#实验程序之一：运行人脸识别demo（简单演示）
#模型下载地址：http://dl.sipeed.com/MAIX/MaixPy … l_at_0x300000.kfpkg

#MicroPython动手做（10）——零基础学MaixPy之神经网络KPU
#实验程序之一：运行人脸识别demo（简单演示）
#模型下载地址：http://dl.sipeed.com/MAIX/MaixPy ... l_at_0x300000.kfpkgimport sensor
import image
import lcd
import KPU as kpulcd.init()
sensor.reset()
sensor.set_pixformat(sensor.RGB565)
sensor.set_framesize(sensor.QVGA)
sensor.run(1)
task = kpu.load(0x300000) #使用kfpkg将 kmodel 与 maixpy 固件打包下载到 flash
anchor = (1.889, 2.5245, 2.9465, 3.94056, 3.99987, 5.3658, 5.155437, 6.92275, 6.718375, 9.01025)
a = kpu.init_yolo2(task, 0.5, 0.3, 5, anchor)
while(True):img = sensor.snapshot()code = kpu.run_yolo2(task, img)if code:for i in code:print(i)a = img.draw_rectangle(i.rect())a = lcd.display(img)
a = kpu.deinit(task)

串口输出了大量数据

{“x”:0, “y”:31, “w”:107, “h”:145, “value”:0.611305, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:0, “y”:31, “w”:107, “h”:145, “value”:0.500000, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:1, “y”:31, “w”:107, “h”:144, “value”:0.500000, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:0, “y”:31, “w”:107, “h”:145, “value”:0.556360, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:13, “y”:34, “w”:83, “h”:139, “value”:0.556360, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:0, “y”:31, “w”:107, “h”:145, “value”:0.500000, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:0, “y”:31, “w”:107, “h”:145, “value”:0.500000, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:0, “y”:31, “w”:107, “h”:145, “value”:0.556360, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:0, “y”:31, “w”:107, “h”:145, “value”:0.500000, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:15, “y”:36, “w”:83, “h”:111, “value”:0.556360, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:13, “y”:33, “w”:83, “h”:139, “value”:0.556360, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:14, “y”:47, “w”:83, “h”:111, “value”:0.500000, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:0, “y”:31, “w”:107, “h”:144, “value”:0.556360, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:13, “y”:32, “w”:83, “h”:139, “value”:0.500000, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:14, “y”:32, “w”:83, “h”:139, “value”:0.611305, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}
{“x”:0, “y”:31, “w”:107, “h”:144, “value”:0.556360, “classid”:0, “index”:0, “objnum”:1}

KPU是通用的神经网络处理器，它可以在低功耗的情况下实现卷积神经网络计算，时时获取被检测目标的大小、坐标和种类，对人脸或者物体进行检测和分类。KPU模块方法：

1. 加载模型
   从flash或者文件系统中加载模型
   import KPU as kpu
   task = kpu.load(offset or file_path)

参数
offtset: 模型在 flash 中的偏移大小，如 0xd00000 表示模型烧录在13M起始的地方
file_path: 模型在文件系统中为文件名， 如 “/sd/xxx.kmodel”

返回
kpu_net: kpu 网络对象

2. 初始化yolo2网络
   为yolo2网络模型传入初始化参数
   import KPU as kpu
   task = kpu.load(offset or file_path)
   anchor = (1.889, 2.5245, 2.9465, 3.94056, 3.99987, 5.3658, 5.155437, 6.92275, 6.718375, 9.01025)
   kpu.init_yolo2(task, 0.5, 0.3, 5, anchor)

参数
kpu_net: kpu 网络对象
threshold: 概率阈值
nms_value: box_iou 门限
anchor_num: 锚点数
anchor: 锚点参数与模型参数一致

3. 反初始化
   import KPU as kpu
   task = kpu.load(offset or file_path)
   kpu.deinit(task)

参数
kpu_net: kpu_load 返回的 kpu_net 对象

4. 运行yolo2网络
   import KPU as kpu
   import image
   task = kpu.load(offset or file_path)
   anchor = (1.889, 2.5245, 2.9465, 3.94056, 3.99987, 5.3658, 5.155437, 6.92275, 6.718375, 9.01025)
   kpu.init_yolo2(task, 0.5, 0.3, 5, anchor)
   img = image.Image()
   kpu.run_yolo2(task, img)

参数
kpu_net: kpu_load 返回的 kpu_net 对象
image_t：从 sensor 采集到的图像

返回
list: kpu_yolo2_find 的列表

5. 网络前向运算(forward)
   计算已加载的网络模型到指定层数，输出目标层的特征图
   import KPU as kpu
   task = kpu.load(offset or file_path)
   ……
   fmap=kpu.forward(task,img,3)

参数
kpu_net: kpu_net 对象
image_t: 从 sensor 采集到的图像
int: 指定计算到网络的第几层

返回
fmap: 特征图对象，内含当前层所有通道的特征图

6. fmap 特征图
   取特征图的指定通道数据到image对象
   img=kpu.fmap(fmap,1)

参数
fmap: 特征图 对象
int: 指定特征图的通道号】

返回
img_t: 特征图对应通道生成的灰度图

7. fmap_free 释放特征图
   释放特征图对象
   kpu.fmap_free(fmap)

参数
fmap: 特征图 对象

返回
无

8. netinfo
   获取模型的网络结构信息
   info=kpu.netinfo(task)
   layer0=info[0]

参数
kpu_net: kpu_net 对象

返回
netinfo list：所有层的信息list, 包含信息为：
index：当前层在网络中的层数
wi：输入宽度
hi：输入高度
wo：输出宽度
ho：输出高度
chi：输入通道数
cho：输出通道数
dw：是否为depth wise layer
kernel_type：卷积核类型，0为1x1， 1为3x3
pool_type：池化类型，0不池化; 1：2x2 max pooling; 2:…
para_size：当前层的卷积参数字节数

KPU寄存器配置说明
芯片厂家没有给出寄存器手册，我们从kpu.c, kpu.h, Model Compiler中分析各寄存器定义。KPU的寄存器配置写在 kpu_layer_argument_t 结构体中，我们取standalone demo中的kpu demo中的gencode.c来分析.(https://github.com/kendryte/kend … pu/gencode_output.c)

//层参数列表，共16层kpu_layer_argument_t la[] __attribute__((aligned(128))) = {
// 第0层{
.kernel_offset.data = {.coef_row_offset = 0,                //固定为0.coef_column_offset = 0        //固定为0
},
.image_addr.data = {                //图像输入输出地址，一个在前，一个在后，下一层运算的时候翻过来，可以避免拷贝工作。.image_dst_addr = (uint64_t)0x6980,        //图像输出地址，int((0 if idx & 1 else (img_ram_size - img_output_size)) / 64).image_src_addr = (uint64_t)0x0                //图像加载地址
},
.kernel_calc_type_cfg.data = {.load_act = 1,                        //使能激活函数，必须使能（硬件设计如此），不使能则输出全为0.active_addr = 0,                        //激活参数加载首地址，在kpu_task_init里初始化为激活折线表.row_switch_addr = 0x5,        //图像宽占用的单元数，一个单元64Byte.  ceil(width/64)=ceil(320/64)=5.channel_switch_addr = 0x4b0,                        //单通道占用的单元数.  row_switch_addr*height=5*240=1200=0x4b0.coef_size = 0,                        //固定为0.coef_group = 1                        //一次可以计算的组数，因为一个单元64字节，//所以宽度>32，设置为1；宽度17~32，设置为2；宽度<=16，设置为4
},
.interrupt_enabe.data = {.depth_wise_layer = 0,        //常规卷积层,设置为0.ram_flag = 0,                        //固定为0.int_en = 0,                                //失能中断.full_add = 0                                //固定为0
},
.dma_parameter.data = {        //DMA传输参数.dma_total_byte = 307199,                //该层输出16通道，即 19200*16=308200.send_data_out = 0,                        //使能输出数据.channel_byte_num = 19199                //输出单通道的字节数，因为后面是2x2 pooling, 所以大小为160*120=19200
},
.conv_value.data = {                //卷积参数，y = (x*arg_x)>>shr_x.arg_x = 0x809179,                //24bit        乘法参数.arg_w = 0x0,.shr_x = 8,                                //4bit        移位参数.shr_w = 0
},
.conv_value2.data = {                //arg_add = kernel_size * kernel_size * bw_div_sw * bx_div_sx =3x3x?x?.arg_add = 0
},
.write_back_cfg.data = {        //写回配置.wb_row_switch_addr = 0x3,                //ceil(160/64)=3.wb_channel_switch_addr = 0x168,        //120*3=360=0x168.wb_group = 1                                                //输入行宽>32,设置为1
},
.image_size.data = {        //输入320*240，输出160*120.o_col_high = 0x77,.i_col_high = 0xef,.i_row_wid = 0x13f,.o_row_wid = 0x9f
},
.kernel_pool_type_cfg.data = {.bypass_conv = 0,                //硬件不能跳过卷积，固定为0.pad_value = 0x0,                //边界填充0.load_para = 1,                //硬件不能跳过归一化，固定为1.pad_type = 0,                //使用填充值.kernel_type = 1,                //3x3设置为1， 1x1设置为0.pool_type = 1,                //池化类型，步长为2的2x2 max pooling.dma_burst_size = 15,        //dma突发传送大小，16字节；脚本中固定为16.bwsx_base_addr = 0,        //批归一化首地址，在kpu_task_init中初始化.first_stride = 0                //图像高度不超过255；图像高度最大为512。
},
.image_channel_num.data = {.o_ch_num_coef = 0xf,        //一次性参数加载可计算的通道数，16通道。4K/单通道卷积核数//o_ch_num_coef = math.floor(weight_buffer_size / o_ch_weights_size_pad)       .i_ch_num = 0x2,                //输入通道，3通道 RGB.o_ch_num = 0xf                //输出通道，16通道
},
.kernel_load_cfg.data = {.load_time = 0,                //卷积加载次数，不超过72KB，只加载一次.para_size = 864,                //卷积参数大小864字节，864=3(RGB)*9(3x3)*2*16.para_start_addr = 0,        //起始地址.load_coor = 1                //允许加载卷积参数
}
},//第0层参数结束……
};上表中还有些结构体内容没有填充，是在KPU初始化函数中填充：```kpu_task_t* kpu_task_init(kpu_task_t* task){
la[0].kernel_pool_type_cfg.data.bwsx_base_addr = (uint64_t)&bwsx_base_addr_0;        //初始化批归一化表
la[0].kernel_calc_type_cfg.data.active_addr = (uint64_t)&active_addr_0;                //初始化激活表
la[0].kernel_load_cfg.data.para_start_addr = (uint64_t)¶_start_addr_0;         //初始化参数加载
……        //共16层参数，逐层计算
task->layers = la;
task->layers_length = sizeof(la)/sizeof(la[0]);        //16层
task->eight_bit_mode = 0;                                        //16bit模式
task->output_scale = 0.12349300010531557;        //输出的缩放，偏置
task->output_bias = -13.528212547302246;
return task;
}```