『聚合』 TensorRT C# API 项目介绍：基于C#与TensorRT部署深度学习模型

1. 项目介绍

   NVIDIA® TensorRT™ 是一款用于高性能深度学习推理的 SDK，包括深度学习推理优化器和运行时，可为推理应用程序提供低延迟和高吞吐量。基于 NVIDIA TensorRT 的应用程序在推理过程中的执行速度比纯 CPU 平台快 36 倍，使您能够优化在所有主要框架上训练的神经网络模型，以高精度校准低精度，并部署到超大规模数据中心、嵌入式平台或汽车产品平台。

  TensorRT 基于 NVIDIA CUDA® 并行编程模型构建，使您能够在 NVIDIA GPU 上使用量化、层和张量融合、内核调整等技术来优化推理。TensorRT 提供 INT8 使用量化感知训练和训练后量化和浮点 16 （FP16） 优化，用于部署深度学习推理应用程序，例如视频流、推荐、欺诈检测和自然语言处理。低精度推理可显著降低延迟，这是许多实时服务以及自主和嵌入式应用所必需的。TensorRT 与 PyTorch 和 TensorFlow 集成，因此只需一行代码即可实现 6 倍的推理速度。TensorRT 提供了一个 ONNX 解析器，因此您可以轻松地将 ONNX 模型从常用框架导入 TensorRT。它还与 ONNX 运行时集成，提供了一种以 ONNX 格式实现高性能推理的简单方法。

  基于这些优势，TensorRT目前在深度模型部署应用越来越广泛。但是TensorRT目前只提供了C++与Python接口，对于跨语言使用十分不便。目前C#语言已经成为当前编程语言排行榜上前五的语言，也被广泛应用工业软件开发中。为了能够实现在C#中调用TensorRT部署深度学习模型，我们在之前的开发中开发了TensorRT C# API。虽然实现了该接口，但由于数据传输存在问题，当时开发的版本在应用时存在较大的问题。

  基于此，我们开发了TensorRT C# API 2.0版本，该版本在开发时充分考虑了上一版本应用时出现的问题，并进行了改进。同时在本版本中，我们对接口进行了优化，使用起来更加简单，并同时提供了相关的应用案例，方便开发者进行使用。

• TensorRT C# API 项目源码：

https://github.com/guojin-yan/TensorRT-CSharp-API.git

• TensorRT C# API 项目应用源码：

https://github.com/guojin-yan/TensorRT-CSharp-API-Samples.git

2. 接口介绍

  下面简单介绍一下该项目封装的接口：

• class Nvinfer

• 模型推理类: 该类主要是封装了转换后的接口，用户可以直接调用该类进行初始化推理引擎。

• **public static void OnnxToEngine(string modelPath, int memorySize) **

  • 模型转换接口：可以调用封装的TensorRT中的ONNX 解释器，对ONNX模型进行转换，并根据本机设备信息，编译本地模型，将模型转换为TensorRT 支持的engine格式。
  • string modelPath： 本地ONNX模型地址，只支持ONNX格式，且ONNX模型必须为确定的输入输出，暂不支持动态输入。
  • int memorySize: 模型转换时分配的内存大小

• **public Nvinfer(string modelPath) **

  • Nvinfer 初始化接口: 初始化Nvinfer类，主要初始化封装的推理引擎，该推理引擎中封装了比较重要的一些类和指针。
  • string modelPath: engine模型路径。

• **public Dims GetBindingDimensions(int index)/GetBindingDimensions(string nodeName) **

  • 获取节点维度接口: 通过端口编号或者端口名称，获取绑定的端口的形状信息.
  • int index: 绑定端口的编号
  • string nodeName: 绑定端口的名称
  • return Dims: 接口返回一个Dims结构体，该结构体包含了节点的维度大小以及每个维度的具体大小。

• public void LoadInferenceData(string nodeName, float[] data)/LoadInferenceData(int nodeIndex, float[] data)

  • 加载待推理数据接口: 通过端口编号或者端口名称，将处理好的带推理数据加载到推理通道上。
  • string nodeName: 待加载推理数据端口的名称。
  • **int nodeIndex: **待加载推理数据端口的编号。
  • float[] data: 处理好的待推理数据，由于目前使用的推理数据多为float类型，因此此处目前只做了该类型接口。

• public void infer()

  • 模型推理接口: 调用推理接口，对加载到推理通道的数据进行推理。

• public float[] GetInferenceResult(string nodeName)/GetInferenceResult(int nodeIndex)

  • 获取推理结果: 通过端口编号或者端口名称，读取推理好的结果数据。
  • string nodeName: 推理结果数据端口的名称。
  • **int nodeIndex: **推理结果数据端口的编号。
  • return float[]: 返回值为指定节点的推理结果数据。

3. 安装流程

  下面演示一下安装方式，下文所有演示都是基于以下环境进行配置的：

• 操作系统：Windows 11

• 编译平台：Visual Studio 2022

• 显卡型号：RTX 2060

• CUDA型号：12.2

• Cudnn：8.9.3

• TensorRT：8.6.1.6

  对于CUDA以及Cudnn的安装此处不再作过多演示，大家可以自行安装。

3.1 TensorRT安装

  首先确定安装的CUDA版本，在命令提示符中输入nvcc -V指令，便可以获取安装的CUDA版本。

  接下来访问TensorRT Download | NVIDIA Developer下载安装包，此处安装8.x系列，安装最新的版本8.6，如下图所示，通过下载Zip文件进行安装，大家可以根据自己的CUDN版本进行下载。

  由于下载的是编译好的文件，因此在下载完成后，大家可以将其解压到常用的安装目录，然后将路径添加到环境变量即可，下面路径为本机安装的TensorRT路径，将其添加到本机的Path环境变量中。

D:\Program Files\TensorRT\TensorRT-8.6.1.6\lib

3.2 下载项目源码

  由于CUDA以及TensorRT程序集文件较大，无法打包成NuGet Package，因此需要用户自己进行编译。

  首先第一步下载项目源码，使用Git命令将源码下载到本地，如下图所示

git clone https://github.com/guojin-yan/TensorRT-CSharp-API.git

  然后使用Visual Studio 2022打开解决方案文件，如下图所示：

  该解决方案中包含两个项目，一个是C++项目，该项目是封装的TensorRT接口，将接口封装到动态链接库中；另一个是C#项目，该项目是读取动态链接库中的C++接口，然后重新封装该接口。

3.3 配置C++项目

  接下来配置C++项目，主要分为以下几步：

第一步：设置项目输出类型

  C++项目主要用于生成动态链接库文件，因此将配置类型改为动态库(.dll)。

第二部：设置包含目录

  当前C++项目主要使用两个依赖库，主要是CUDA(CUDNN)以及TensorRT，因此此处主要配置这两个依赖项，用户根据自己的安装情况进行配置即可。

  以下是本设备CUDA(CUDNN)以及TensorRT的包含目录位置，用户在使用时这需要根据自己本机安装情况进行设置即可。

C:\Program Files\NVIDIA GPU Computing Toolkit\CUDA\v12.2\include
D:\Program Files\TensorRT\TensorRT-8.6.1.6\include

第三步：设置库目录

  下面设置安装的CUDA(CUDNN)以及TensorRT的库目录情况，如下图所示。

  以下是本设备CUDA(CUDNN)以及TensorRT的库目录位置，用户在使用时这需要根据自己本机安装情况进行设置即可。

C:\Program Files\NVIDIA GPU Computing Toolkit\CUDA\v12.2\lib\x64
D:\Program Files\TensorRT\TensorRT-8.6.1.6\lib

第四步：设置附加依赖项

  下面设置附加依赖项，附加依赖项文件在上一步设置的库目录路径中，此处主要添加.lib文件。

  以下是CUDA(CUDNN)以及TensorRT的附加依赖项目录，但不同版本可能会不一致，因此用户在使用时需要根据自己的安装情况进行设置。

cublas.lib
cublasLt.lib
cuda.lib
cudadevrt.lib
cudart.lib
cudart_static.lib
cudnn.lib
cudnn64_8.lib
cudnn_adv_infer.lib
cudnn_adv_infer64_8.lib
cudnn_adv_train.lib
cudnn_adv_train64_8.lib
cudnn_cnn_infer.lib
cudnn_cnn_infer64_8.lib
cudnn_cnn_train.lib
cudnn_cnn_train64_8.lib
cudnn_ops_infer.lib
cudnn_ops_infer64_8.lib
cudnn_ops_train.lib
cudnn_ops_train64_8.lib
cufft.lib
cufftw.lib
cufilt.lib
curand.lib
cusolver.lib
cusolverMg.lib
cusparse.lib
nppc.lib
nppial.lib
nppicc.lib
nppidei.lib
nppif.lib
nppig.lib
nppim.lib
nppist.lib
nppisu.lib
nppitc.lib
npps.lib
nvblas.lib
nvJitLink.lib
nvJitLink_static.lib
nvjpeg.lib
nvml.lib
nvptxcompiler_static.lib
nvrtc-builtins_static.lib
nvrtc.lib
nvrtc_static.lib
OpenCL.lib
nvinfer.lib
nvinfer_dispatch.lib
nvinfer_lean.lib
nvinfer_plugin.lib
nvinfer_vc_plugin.lib
nvonnxparser.lib
nvparsers.lib

第五步：设置预处理器

  由于项目中应用了一些不安全方法，所以需要在宏定义中添加以下定义，如下图所示：

_CRT_SECURE_NO_WARNINGS

第六步：编译项目源码

  接下来生成C++项目，此处选择生成，不要选择运行，如下图所示：

  最终可以看出生成的动态链接库文件名称以及文件路径，这个路径在下一步中十分重要。

3.4 编译C#项目

  接下来编译C#项目，C#项目只需要修改一下位置即可，修改NativeMethods.cs文件中的dll文件路径，该路径及上一步中C++项目生成的动态链接库文件，如下图所示：

E:\GitSpace\TensorRT-CSharp-API\x64\Release\TensorRtExtern.dll

  接下来就可以运行C#项目，生成类库文件，如下图所示：

4. 接口调用

4.1 创建并配置C#项目

  首先创建一个简单的C#项目，然后添加项目配置。

  首先是添加TensorRT C# API 项目引用，如下图所示，添加上文中C#项目生成的dll文件即可。

  接下来添加OpenCvSharp，此处通过NuGet Package安装即可，此处主要安装以下两个程序包即可：

  配置好项目后，项目的配置文件如下所示：

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk">

  <PropertyGroup>
    <OutputType>Exe</OutputType>
    <TargetFramework>net6.0</TargetFramework>
    <RootNamespace>TensorRT_CSharp_API_demo</RootNamespace>
    <ImplicitUsings>enable</ImplicitUsings>
    <Nullable>enable</Nullable>
  </PropertyGroup>

  <ItemGroup>
    <PackageReference Include="OpenCvSharp4.Extensions" Version="4.9.0.20240103" />
    <PackageReference Include="OpenCvSharp4.Windows" Version="4.9.0.20240103" />
  </ItemGroup>

  <ItemGroup>
    <Reference Include="TensorRtSharp">
      <HintPath>E:\GitSpace\TensorRT-CSharp-API\src\TensorRtSharp\bin\Release\net6.0\TensorRtSharp.dll</HintPath>
    </Reference>
  </ItemGroup>

</Project>

4.2 添加推理代码

  此处演示一个简单的图像分类项目，以Yolov8-cls项目为例：

static void Main(string[] args)
{
    Nvinfer predictor = new Nvinfer("E:\\Model\\yolov8\\yolov8s-cls_2.engine");
    Dims InputDims = predictor.GetBindingDimensions("images");
    int BatchNum = InputDims.d[0];

    Mat image1 = Cv2.ImRead("E:\\ModelData\\image\\demo_4.jpg");
    Mat image2 = Cv2.ImRead("E:\\ModelData\\image\\demo_5.jpg");

    List<Mat> images = new List<Mat>() { image1, image2 };
    for (int begImgNo = 0; begImgNo < images.Count; begImgNo += BatchNum)
    {
        DateTime start = DateTime.Now;
        int endImgNo = Math.Min(images.Count, begImgNo + BatchNum);
        int batchNum = endImgNo - begImgNo;
        List<Mat> normImgBatch = new List<Mat>();
        int imageLen = 3 * 224 * 224;
        float[] inputData = new float[2 * imageLen];
        for (int ino = begImgNo; ino < endImgNo; ino++)
        {
            Mat input_mat = CvDnn.BlobFromImage(images[ino], 1.0 / 255.0, new OpenCvSharp.Size(224, 224), 0, true, false);
            float[] data = new float[imageLen];
            Marshal.Copy(input_mat.Ptr(0), data, 0, imageLen);
            Array.Copy(data, 0, inputData, ino * imageLen, imageLen);
        }
        predictor.LoadInferenceData("images", inputData);

        DateTime end = DateTime.Now;
        Console.WriteLine("[ INFO ] Input image data processing time: " + (end - start).TotalMilliseconds + " ms.");
        predictor.infer();
        start = DateTime.Now;
        predictor.infer();
        end = DateTime.Now;
        Console.WriteLine("[ INFO ] Model inference time: " + (end - start).TotalMilliseconds + " ms.");
        start = DateTime.Now;

        float[] outputData = predictor.GetInferenceResult("output0");
        for (int i = 0; i < batchNum; ++i)
        {
            Console.WriteLine(string.Format("\n[ INFO ] Classification Top {0} result : \n", 10));
            Console.WriteLine("[ INFO ] classid probability");
            Console.WriteLine("[ INFO ] ------- -----------");
            float[] data = new float[1000];
            Array.Copy(outputData, i * 1000, data, 0, 1000);
            List<int> sortResult = Argsort(new List<float>(data));
            for (int j = 0; j < 10; ++j)
            {
                string msg = "";
                msg += ("index: " + sortResult[j] + "\t");
                msg += ("score: " + data[sortResult[j]] + "\t");
                Console.WriteLine("[ INFO ] " + msg);
            }
        }
        end = DateTime.Now;
        Console.WriteLine("[ INFO ] Inference result processing time: " + (end - start).TotalMilliseconds + " ms.");
    }


}

public static List<int> Argsort(List<float> array)
{
    int arrayLen = array.Count;
    List<float[]> newArray = new List<float[]> { };
    for (int i = 0; i < arrayLen; i++)
    {
        newArray.Add(new float[] { array[i], i });
    }
    newArray.Sort((a, b) => b[0].CompareTo(a[0]));
    List<int> arrayIndex = new List<int>();
    foreach (float[] item in newArray)
    {
        arrayIndex.Add((int)item[1]);
    }
    return arrayIndex;
}

4.3 项目演示

  配置好项目并编写好代码后，运行该项目，项目输出如下所示：

[03/31/2024-22:27:44] [I] [TRT] Loaded engine size: 15 MiB
[03/31/2024-22:27:44] [I] [TRT] [MemUsageChange] TensorRT-managed allocation in engine deserialization: CPU +0, GPU +12, now: CPU 0, GPU 12 (MiB)
[03/31/2024-22:27:44] [I] [TRT] [MemUsageChange] TensorRT-managed allocation in IExecutionContext creation: CPU +0, GPU +4, now: CPU 0, GPU 16 (MiB)
[03/31/2024-22:27:44] [W] [TRT] CUDA lazy loading is not enabled. Enabling it can significantly reduce device memory usage and speed up TensorRT initialization. See "Lazy Loading" section of CUDA documentation https://docs.nvidia.com/cuda/cuda-c-programming-guide/index.html#lazy-loading
[ INFO ] Input image data processing time: 6.6193 ms.
[ INFO ] Model inference time: 1.1434 ms.

[ INFO ] Classification Top 10 result :

[ INFO ] classid probability
[ INFO ] ------- -----------
[ INFO ] index: 386     score: 0.87328124
[ INFO ] index: 385     score: 0.082506955
[ INFO ] index: 101     score: 0.04416279
[ INFO ] index: 51      score: 3.5818E-05
[ INFO ] index: 48      score: 4.2115275E-06
[ INFO ] index: 354     score: 3.5188648E-06
[ INFO ] index: 474     score: 5.789438E-07
[ INFO ] index: 490     score: 5.655325E-07
[ INFO ] index: 343     score: 5.1091644E-07
[ INFO ] index: 340     score: 4.837259E-07

[ INFO ] Classification Top 10 result :

[ INFO ] classid probability
[ INFO ] ------- -----------
[ INFO ] index: 293     score: 0.89423335
[ INFO ] index: 276     score: 0.052870292
[ INFO ] index: 288     score: 0.021361532
[ INFO ] index: 290     score: 0.009259541
[ INFO ] index: 275     score: 0.0066174944
[ INFO ] index: 355     score: 0.0025512716
[ INFO ] index: 287     score: 0.0024535337
[ INFO ] index: 210     score: 0.00083151844
[ INFO ] index: 184     score: 0.0006893527
[ INFO ] index: 272     score: 0.00054959994

  通过上面输出可以看出，模型推理仅需1.1434ms，大大提升了模型的推理速度。

5. 总结

  在本项目中，我们开发了TensorRT C# API 2.0版本，重新封装了推理接口。并结合分类模型部署流程向大家展示了TensorRT C# API 的使用方式，方便大家快速上手使用。

  为了方便各位开发者使用，此处开发了配套的演示项目，主要是基于Yolov8开发的目标检测、目标分割、人体关键点识别、图像分类以及旋转目标识别，由于时间原因，还未开发配套的技术文档，此处先行提供给大家项目源码，大家可以根据自己需求使用：

• Yolov8 Det 目标检测项目源码：

https://github.com/guojin-yan/TensorRT-CSharp-API-Samples/blob/master/model_samples/yolov8_custom/Yolov8Det.cs

• Yolov8 Seg 目标分割项目源码：

https://github.com/guojin-yan/TensorRT-CSharp-API-Samples/blob/master/model_samples/yolov8_custom/Yolov8Seg.cs

• Yolov8 Pose 人体关键点识别项目源码：

https://github.com/guojin-yan/TensorRT-CSharp-API-Samples/blob/master/model_samples/yolov8_custom/Yolov8Pose.cs

• Yolov8 Cls 图像分类项目源码：

https://github.com/guojin-yan/TensorRT-CSharp-API-Samples/blob/master/model_samples/yolov8_custom/Yolov8Cls.cs

• Yolov8 Obb 旋转目标识别项目源码：

https://github.com/guojin-yan/TensorRT-CSharp-API-Samples/blob/master/model_samples/yolov8_custom/Yolov8Obb.cs

  同时对本项目开发的案例进行了时间测试，以下时间只是程序运行一次的时间，测试环境为：

• CPU：i7-165G7

• CUDA型号：12.2

• Cudnn：8.9.3

• TensorRT：8.6.1.6

Model	Batch	数据预处理	模型推理	结果后处理
Yolov8s-Det	2	25 ms	7 ms	20 ms
Yolov8s-Obb	2	49 ms	15 ms	32 ms
Yolov8s-Seg	2	23 ms	8 ms	128 ms
Yolov8s-Pose	2	27 ms	7 ms	20 ms
Yolov8s-Cls	2	16 ms	1 ms	3 ms

  最后如果各位开发者在使用中有任何问题，欢迎大家与我联系。