视频结构化从入门到精通——GPU主要硬件平台介绍

视频结构化主要硬件平台

1. 深度学习中“硬”和“软”的概念

在深度学习中，“硬”和“软”通常用于描述不同的处理方法或策略，尤其是在解码、编码、推理等任务中。它们反映了算法在处理信息时的确定性和灵活性。

软（Soft） 处理主要由CPU和主机（host）来完成，具有灵活性和通用性，适合开发、调试和需要复杂逻辑判断的任务。

硬（Hard） 处理依赖于专用硬件（如GPU、TPU、FPGA），以实现高性能和低延迟的计算，适用于需要大量并行计算的任务，如深度学习训练和实时推理。

1. 软解码（Soft Decoding） vs. 硬解码（Hard Decoding）：

• 软解码：
  • 在处理过程中保留概率或不确定性的信息。例如，在卷积码或Turbo码的解码中，软解码算法（如最大似然解码）考虑接收到的信号的概率分布，而不仅仅是确定性决策。这种方法能够更好地处理噪声，通常在信道编码中表现更好。
• 硬解码：
  • 直接做出确定性的二进制决策。例如，在信道解码中，硬解码只考虑接收到的符号是0还是1，而不考虑其概率。硬解码更简单且计算更快，但在噪声较大的环境中性能较差。

2. 软编码（Soft Encoding） vs. 硬编码（Hard Encoding）：

• 软编码：
  • 在编码过程中考虑不同信号状态的概率或不确定性。它常用于信息需要以概率分布的形式表示或传输的场景，例如在量子计算或某些类型的神经网络编码中。
• 硬编码：
  • 将信息确定地编码为离散的信号或符号。例如，将字符编码为二进制码就是一种硬编码方式。硬编码具有确定性，但在一些复杂或不确定的环境中可能不足以捕捉信息的全部细节。

3. 软推理（Soft Inference） vs. 硬推理（Hard Inference）：

• 软推理：
  • 在推理过程中保留中间结果的概率或不确定性。例如，在贝叶斯网络或某些深度学习模型中，软推理允许模型输出概率分布，从而表达对多种可能结果的信心。这种方法能够更好地处理模糊或不确定的信息。
• 硬推理：
  • 直接做出确定性的结论，例如输出一个唯一的类别标签或决策。硬推理计算更高效，但在信息模糊或不确定时可能不够灵活。

4. 软绘图（Soft Rendering） vs. 硬绘图（Hard Rendering）：

• 软绘图：
  • 在计算机图形学中，软绘图考虑图像生成过程中可能出现的模糊性或渐变效果，如抗锯齿处理。软绘图通常采用软件算法进行，能够更好地处理复杂的光影效果，但计算成本较高。
• 硬绘图：
  • 硬绘图通常是指使用硬件加速（如GPU）直接生成图像，强调确定性和效率。例如，在游戏引擎中使用的硬件加速技术可以快速生成图像，但有时会忽略一些细节或模糊处理。

2. CPU与GPU的差异

1. CPU（中央处理器）

• 功能: 负责计算机中各种任务的执行和管理，执行顺序性、逻辑性强的计算任务。
• 作用: 处理复杂的逻辑运算、决策任务，管理操作系统和应用程序，协调整个计算系统的运作。

2. GPU（图形处理器）

• 功能: 处理图形渲染以及大规模并行计算任务，尤其是在图像处理和深度学习训练中。
• 作用: 加速并行计算密集型任务，提升图形处理和机器学习的效率，显著缩短训练时间和渲染时间。

两者在计算机系统中协同工作，CPU负责综合管理和复杂任务处理，而GPU则加速特定的大规模并行任务。

3. 数据在“软/硬”设备中交换的过程

• 软处理（CPU）: 负责数据的加载、预处理、后处理以及数据在不同设备间的管理和传输。主要处理顺序性任务和复杂逻辑。
• 硬处理（GPU）: 负责深度学习模型的推理过程，利用并行计算能力加速大规模矩阵运算和其他相关计算任务。

在深度学习图像模型推理过程中，数据在“软”（CPU）和“硬”（GPU）设备之间的交换可以分为以下几个关键步骤：

1. 数据加载与预处理（软处理）:

• 数据加载: 这个阶段通常由CPU完成。数据（如图像）从存储设备中加载到内存中。
• 数据预处理: CPU对图像数据进行预处理，如调整尺寸、归一化、图像增强等。这些操作通常是顺序性任务，适合在CPU上执行。
• 数据传输: 预处理后的数据需要传输到GPU进行模型推理。通过PCIe总线等接口，数据从主机内存传输到GPU内存。

2. 模型推理（硬处理）:

• 数据输入: 数据一旦进入GPU内存，GPU就会将这些图像数据输入到预先加载好的深度学习模型中。
• 并行计算: GPU通过其大量并行核心执行矩阵运算、卷积操作等，快速计算模型推理的结果。这部分计算涉及大量相同类型的操作，GPU的并行处理能力在此得以充分发挥。
• 输出结果: 模型推理生成的结果（如分类标签、边界框等）保存在GPU内存中。

3. 结果传输与后处理（软处理）:

• 结果传输: 推理结果从GPU内存传回到主机内存中，供后续处理使用。
• 后处理: CPU对推理结果进行后处理，如解码类别标签、应用阈值过滤或进一步的逻辑判断。这些操作一般较为复杂，依赖顺序处理能力，因此在CPU上执行更为合适。
• 结果展示或保存: 最终处理后的结果可能展示给用户或保存到存储设备中。

4. 数据交换的控制:

• 驱动与API: 数据在CPU和GPU之间的交换由驱动程序和API控制（如CUDA、OpenCL、TensorFlow、PyTorch中的CUDA函数等）。这些API帮助管理数据传输、同步计算任务、以及协调软硬件之间的工作流。
• 同步与异步操作: 根据应用需求，CPU可以同步等待GPU完成计算，或者通过异步操作继续处理其他任务，直至GPU推理结果返回。

通过这种软硬结合的方式，整个深度学习推理过程能够在保持高性能的同时，灵活处理复杂的数据操作和逻辑控制。

4. 英伟达平台

1. NVIDIA 平台软件生态概述

NVIDIA 的软件生态系统由一系列高性能计算和深度学习的开发工具和库组成。这些工具与 NVIDIA GPU 硬件紧密集成，专为优化图形计算、深度学习模型训练和推理而设计。以下是 NVIDIA 生态系统中几个关键组件的介绍，包括 TensorRT、DeepStream、CUDA、cuDNN 和 Codec SDK。

2. TensorRT

2.1. TensorRT 简介

TensorRT 是 NVIDIA 提供的高性能深度学习推理优化库。它通过层融合、精度调整（如 FP16 和 INT8 量化）和其他优化技术，显著提高模型推理的效率和速度，特别是在使用 NVIDIA GPU 时。

2.2. 主要功能

• 模型优化: 通过层融合和计算图优化，减少推理时的计算复杂度。
• 精度调整: 支持从 FP32 到 FP16 甚至 INT8 的量化，提供性能与精度的平衡选项。
• 批处理推理: 提升大规模推理服务的吞吐量。

3. DeepStream

3.1. DeepStream 简介

DeepStream 是 NVIDIA 的流媒体分析开发套件，专为多媒体流处理和计算机视觉应用而设计，常用于视频分析、智能监控和物联网应用。

3.2. 主要功能

• 实时视频处理: 支持从摄像头、文件或流媒体的输入，实现实时视频分析。
• 与 AI 集成: 与 TensorRT 集成，优化推理速度，适合部署在 NVIDIA GPU 上进行高效的边缘计算。

4. CUDA

4.1. CUDA 简介

CUDA 是 NVIDIA 提供的并行计算平台和编程模型，允许开发者利用 GPU 的并行计算能力来加速通用计算任务。它是 NVIDIA 生态系统的基础，用于构建大规模并行算法和应用。

4.2. 主要功能

• 并行计算框架: 提供对 GPU 的低层访问，开发者可以通过 CUDA C/C++ 编写高效的并行程序。
• 广泛的库支持: CUDA 支持多种数学、信号处理和机器学习库，帮助加速各类计算任务。

5. cuDNN

5.1. cuDNN 简介

cuDNN（CUDA Deep Neural Network Library）是专门针对深度学习的 GPU 加速库，提供高度优化的卷积、池化、归一化等神经网络操作。

5.2. 主要功能

• 深度学习加速: 优化卷积神经网络（CNN）的关键操作，加速训练和推理过程。
• 与深度学习框架的集成: 兼容 TensorFlow、PyTorch 等主流框架，简化深度学习应用的开发。

6. Codec SDK

6.1. Codec SDK 简介

NVIDIA Codec SDK 是一个用于视频编码和解码的开发工具包，支持 H.264 和 H.265 等视频编码格式，广泛用于实时视频流、视频会议和视频分析应用中。

6.2. 主要功能

• 硬件加速视频编解码: 利用 NVIDIA GPU 实现高效的视频编解码处理。
• 支持多种格式: 提供对主流视频编码格式的支持，确保在高性能和低延迟的情况下进行视频处理。

7. NVIDIA 平台软件生态的整合

NVIDIA 的这些软件工具相互协作，共同形成了一个强大的计算平台。CUDA 为底层并行计算提供支持，cuDNN 通过 GPU 加速深度学习，TensorRT 优化推理性能，DeepStream 提供流媒体分析的整体解决方案，Codec SDK 则加速视频编解码。这些工具被广泛应用于自动驾驶、智能监控、AI 边缘计算等领域，助力开发者充分利用 NVIDIA GPU 的计算能力，实现高效、高性能的计算任务。

5. 华为平台

1. 华为平台软件生态概述

华为的AI计算平台包含一系列专为AI开发与部署设计的软件工具和库。这些工具深度结合华为自研的硬件（如昇腾系列AI处理器），为AI开发者提供从模型训练到推理部署的一站式解决方案。以下是华为生态系统中的几个关键组件的介绍，包括 MindX SDK、MindStudio、CANN、ModelZoo 和 MindSpore。

2. MindX SDK

2.1. MindX SDK 简介

MindX SDK 是华为提供的一套应用开发工具包，旨在简化AI应用开发过程，帮助开发者快速构建和部署基于昇腾AI处理器的应用。它涵盖了从计算机视觉、自然语言处理到智能语音等多种AI领域。

2.2. 主要功能

• 预构建AI模块: 提供了大量预训练的AI模型和算法模块，开发者可以直接使用，降低开发门槛。
• 跨平台支持: 支持在不同硬件平台上运行，包括华为的昇腾系列AI芯片和通用CPU平台。
• 高效开发工具: 提供丰富的API和工具，简化AI模型的开发、优化和部署过程。

3. MindStudio

3.1. MindStudio 简介

MindStudio 是华为提供的统一AI开发集成环境（IDE），为开发者提供了从模型设计、训练、优化到部署的一体化解决方案。它与其他华为AI工具紧密集成，简化了AI项目的开发流程。

3.2. 主要功能

• 可视化开发环境: 提供图形化的界面，支持模型设计、调试、训练和性能调优。
• 自动化工具链: 支持从代码编写、模型训练到部署的全流程自动化操作，提升开发效率。
• 多框架支持: 与多种AI框架（如 TensorFlow、PyTorch）兼容，开发者可以轻松迁移现有模型。

4. CANN（Compute Architecture for Neural Networks）

4.1. CANN 简介

CANN 是华为为神经网络计算提供的计算架构库，专为提升昇腾AI处理器在深度学习模型训练和推理中的性能而设计。CANN 提供了一系列高效的计算内核和优化工具，助力开发者充分利用硬件性能。

4.2. 主要功能

• 高性能计算内核: 提供针对不同AI任务优化的计算内核，支持卷积、矩阵乘法等常用操作的加速。
• 优化工具链: 包括模型编译器、调优器等工具，帮助开发者优化模型在昇腾处理器上的运行性能。
• 硬件加速: 充分利用昇腾AI芯片的硬件加速能力，实现更快的训练和推理速度。

5. ModelZoo

5.1. ModelZoo 简介

ModelZoo 是华为提供的一个AI模型仓库，包含了大量经过优化的预训练模型。开发者可以直接从 ModelZoo 下载这些模型，并根据具体应用需求进行微调或直接部署。

5.2. 主要功能

• 丰富的模型库: 包括计算机视觉、自然语言处理、语音识别等多领域的预训练模型。
• 性能优化: 这些模型已针对昇腾AI处理器进行优化，能够在华为硬件平台上高效运行。
• 简化模型部署: 开发者可以快速将模型应用到实际场景中，缩短开发周期。

6. MindSpore

6.1. MindSpore 简介

MindSpore 是华为自主研发的全栈AI计算框架，支持端、边、云全场景的AI开发。它提供了从模型训练到推理部署的一站式解决方案，并针对华为硬件平台进行了深度优化。

6.2. 主要功能

• 全场景支持: MindSpore 能够在移动端设备、边缘计算节点以及云端数据中心上运行，满足不同场景的AI需求。
• 自动化微分: 提供了高效的自动化微分功能，简化了神经网络的训练过程。
• 分布式计算: 支持大规模分布式训练，能够处理海量数据和复杂模型，提高训练效率。
• 隐私保护: 支持联邦学习等隐私保护技术，在保证数据安全的前提下进行模型训练。

7. 华为平台软件生态的整合

MindSpore 提供全栈AI计算支持，CANN 优化硬件计算性能，ModelZoo 提供现成的模型资源，MindStudio 简化开发过程，而 MindX SDK 则专注于应用部署。通过这些工具，开发者能够充分利用华为的硬件平台，快速构建和部署高效的AI应用。

8. 华为平台硬件生态

6. 寒武纪平台

1. 寒武纪平台软件生态概述

寒武纪科技作为中国领先的AI芯片企业，围绕其自研的AI处理器构建了一整套软件生态系统。这些工具旨在帮助开发者高效利用寒武纪芯片的计算能力，进行AI应用的开发、优化和部署。以下是寒武纪平台中的关键组件介绍，包括 CNStream、EasyDK、CNToolkit、MagicMind 和 CNCodec。

2. CNStream

2.1. CNStream 简介

CNStream 是寒武纪推出的流媒体处理框架，专门用于处理视频流中的智能分析任务。该框架可用于计算机视觉任务，如目标检测、行为分析、视频结构化等，并能够在寒武纪的 AI 芯片上高效运行。

2.2. 主要功能

• 实时视频处理: 支持从多种视频源输入，进行实时的视频分析和处理，适用于智能监控和视频分析应用。
• 模块化设计: 通过模块化的设计，开发者可以根据需求选择不同的功能模块，如解码、推理、后处理等。
• 与寒武纪硬件的深度优化: CNStream 利用寒武纪芯片的并行计算能力，实现高性能的流媒体处理。

3. EasyDK

3.1. EasyDK 简介

EasyDK 是寒武纪为简化 AI 应用开发而推出的开发工具包。它为开发者提供了丰富的 API 和样例代码，帮助快速搭建基于寒武纪芯片的 AI 应用。

3.2. 主要功能

• 便捷开发接口: 提供简洁易用的开发接口，支持快速集成 AI 模型和功能模块。
• 示例和模板: 提供多种示例和项目模板，降低开发门槛，帮助开发者快速上手。
• 跨平台支持: 支持在多种硬件平台上进行开发和部署，包括寒武纪的边缘 AI 设备和服务器。

4. CNToolkit

4.1. CNToolkit 简介

CNToolkit 是寒武纪推出的工具库，专为开发和优化 AI 模型设计。它提供了多种辅助工具，开发者优化模型性能，调试应用程序，并实现高效的模型推理。

4.2. 主要功能

• 模型优化工具: 提供模型量化、剪枝、融合等优化工具，提升模型在寒武纪芯片上的推理速度。
• 调试工具: 提供详细的调试功能，帮助开发者监控模型推理过程，发现并解决性能瓶颈。
• 性能分析: 支持对 AI 应用的性能进行分析，帮助开发者进行性能调优。

5. MagicMind

5.1. MagicMind 简介

MagicMind 是寒武纪的 AI 推理引擎，专为在寒武纪芯片上高效运行深度学习模型而设计。它支持多种深度学习框架的模型，能够自动进行优化和加速。

5.2. 主要功能

• 多框架支持: 兼容主流深度学习框架，如 TensorFlow、PyTorch、ONNX，简化模型转换和部署。
• 自动优化: MagicMind 自动对模型进行优化，包括图优化、精度调整等，以提升推理性能。
• 高效推理: 利用寒武纪芯片的硬件特性，提供低延迟、高吞吐量的推理服务。

6. CNCodec

6.1. CNCodec 简介

CNCodec 是寒武纪提供的视频编解码开发包，专注于在寒武纪硬件上实现高效的视频编解码。它支持多种视频编码格式，并且与寒武纪的 AI 芯片高度集成，适用于需要实时处理视频数据的 AI 应用。

6.2. 主要功能

• 硬件加速编解码: 利用寒武纪芯片的计算能力，实现快速的视频编解码处理。
• 多格式支持: 支持 H.264、H.265 等主流视频编码格式，适应多种视频处理需求。
• 高效视频处理: 提供低延迟、高性能的视频处理能力，适用于智能监控、视频会议等场景。

7. 寒武纪平台软件生态的整合

寒武纪的平台软件生态围绕其自研 AI 芯片，提供了一整套开发、优化和部署工具。CNStream 和 CNCodec 专注于流媒体和视频处理，MagicMind 提供高效的模型推理支持，CNToolkit 帮助开发者优化和调试模型，而 EasyDK 则为开发者提供了便捷的开发接口。这些工具协同工作，帮助开发者充分发挥寒武纪硬件的性能，快速开发并部署 AI 应用。

8. 寒武纪软件生态

7. 瑞芯微平台

1. 瑞芯微平台硬件生态

瑞芯微电子（Rockchip）是一家中国领先的集成电路设计公司，主要专注于开发高性能、低功耗的应用处理器芯片，广泛应用于智能设备、物联网、智能家居和智能显示等领域。

1.1. 核心处理器

瑞芯微提供多款高性能处理器芯片，覆盖从低端到高端的各种应用场景。其产品线包括 RK系列（如 RK3399、RK3328、RK3288 等），这些处理器集成了强大的 CPU 和 GPU 核心，适用于 AI、4K 视频处理、多媒体娱乐等应用。

1.2. AI 加速硬件

瑞芯微还开发了专门的 AI 加速器，如 NPU（Neural Processing Unit），集成在其部分处理器芯片中。这些 AI 加速器支持多种 AI 运算，可以在边缘设备上实现高效的神经网络推理。

1.3. 硬件平台及参考设计

瑞芯微提供了丰富的硬件平台和参考设计，帮助开发者快速实现产品原型。这些平台包括开发板、模组、参考设计套件，涵盖智能音箱、智能电视、安防监控等多个领域。

2. 瑞芯微平台软件生态

瑞芯微的硬件产品与其完善的软件生态系统紧密结合，为开发者提供了从底层驱动、操作系统到应用开发的完整支持。

2.1. 操作系统支持

瑞芯微芯片支持多种操作系统，包括 Android、Linux、RTOS 等。官方提供了优化的 BSP（Board Support Package），帮助开发者在其硬件上顺利运行这些操作系统。

2.2. 开发工具

瑞芯微提供了完整的 SDK（Software Development Kit），其中包含各种开发工具、编译工具链和调试工具，帮助开发者在其芯片上开发和调试应用程序。

2.3. AI 及多媒体开发

瑞芯微的 NPU 支持多种深度学习框架，如 TensorFlow、Caffe 等，并提供了专门的工具链，用于模型转换和优化。此外，瑞芯微还提供了多媒体处理库，支持 4K 视频解码、图像处理、音频处理等功能。

2.4. 合作伙伴生态

瑞芯微与多家软件公司和开源社区合作，构建了一个丰富的合作伙伴生态系统。这包括与 Google 的合作提供 Android 支持，参与 Linux 内核社区的开发等，确保其芯片的广泛兼容性和支持。

3. 瑞芯微平台的整合

瑞芯微的平台通过其高性能处理器、AI 加速器和全面的软件支持，形成了一个强大的硬件和软件生态系统。该生态系统支持从智能家居到工业物联网的广泛应用，帮助开发者快速构建和部署创新的智能设备和解决方案。

参考

https://www.bilibili.com/cheese/play/ss10426?query_from=0&search_id=5162458312674377813&search_query=周见智&csource=common_hpsearch_null_null&spm_id_from=333.337.search-card.all.click