【OpenVINO™】在C#中使用 OpenVINO™ 部署 YOLOv10 模型实现目标

最近YOLO家族又添新成员：YOLOv10，YOLOv10 提出了一种一致的双任务方法，用于无nms训练的YOLOs，它同时带来了具有竞争力的性能和较低的推理延迟。此外，还介绍了整体效率-精度驱动的模型设计策略,从效率和精度两个角度对YOLOs的各个组成部分进行了全面优化，大大降低了计算开销，增强了性能。在本文中，我们将结合OpenVINO C# API 使用最新发布的OpenVINO 2024.1部署YOLOv10 目标检测模型

OpenVINO C# API项目链接：
https://github.com/guojin-yan/OpenVINO-CSharp-API.git
使用 OpenVINO C# API 部署 YOLOv10 全部源码：
https://github.com/guojin-yan/OpenVINO-CSharp-API-Samples/blob/master/model_samples/yolov10/

1. 前言

1.1 OpenVINO C# API

英特尔发行版 OpenVINO 工具套件基于 oneAPI 而开发，可以加快高性能计算机视觉和深度学习视觉应用开发速度工具套件，适用于从边缘到云的各种英特尔平台上，帮助用户更快地将更准确的真实世界结果部署到生产系统中。通过简化的开发工作流程，OpenVINO 可赋能开发者在现实世界中部署高性能应用程序和算法。

2024年4月25日，英特尔发布了开源 OpenVINO 2024.1 工具包，用于在各种硬件上优化和部署人工智能推理。更新了更多的 Gen AI 覆盖范围和框架集成，以最大限度地减少代码更改。同时提供了更广泛的 LLM 模型支持和更多的模型压缩技术。通过压缩嵌入的额外优化减少了 LLM 编译时间，改进了采用英特尔高级矩阵扩展（Intel AMX）的第 4 代和第 5 代英特尔至强处理器上 LLM 的第 1 令牌性能。通过对英特尔锐炫 GPU 的 oneDNN、INT4 和 INT8 支持，实现更好的 LLM 压缩和改进的性能。最后实现了更高的可移植性和性能，可在边缘、云端或本地运行 AI。

OpenVINO C# API 是一个 OpenVINO 的 .Net wrapper，应用最新的 OpenVINO 库开发，通过 OpenVINO C API 实现 .Net 对 OpenVINO Runtime 调用，使用习惯与 OpenVINO C++ API 一致。OpenVINO C# API 由于是基于 OpenVINO 开发，所支持的平台与 OpenVINO 完全一致，具体信息可以参考 OpenVINO。通过使用 OpenVINO C# API，可以在 .NET、.NET Framework等框架下使用 C# 语言实现深度学习模型在指定平台推理加速。

下表为当前发布的 OpenVINO C# API NuGet Package，支持多个目标平台，可以通过NuGet一键安装所有依赖。

Core Managed Libraries

Package	Description	Link
OpenVINO.CSharp.API	OpenVINO C# API core libraries
OpenVINO.CSharp.API.Extensions	OpenVINO C# API core extensions libraries
OpenVINO.CSharp.API.Extensions.OpenCvSharp	OpenVINO C# API core extensions libraries use OpenCvSharp
OpenVINO.CSharp.API.Extensions.EmguCV	OpenVINO C# API core extensions libraries use EmguCV

Native Runtime Libraries

Package	Description	Link
OpenVINO.runtime.win	Native bindings for Windows
OpenVINO.runtime.ubuntu.22-x86_64	Native bindings for ubuntu.22-x86_64
OpenVINO.runtime.ubuntu.20-x86_64	Native bindings for ubuntu.20-x86_64
OpenVINO.runtime.ubuntu.18-x86_64	Native bindings for ubuntu.18-x86_64
OpenVINO.runtime.debian9-arm64	Native bindings for debian9-arm64
OpenVINO.runtime.debian9-armhf	Native bindings for debian9-armhf
OpenVINO.runtime.centos7-x86_64	Native bindings for centos7-x86_64
OpenVINO.runtime.rhel8-x86_64	Native bindings for rhel8-x86_64
OpenVINO.runtime.macos-x86_64	Native bindings for macos-x86_64
OpenVINO.runtime.macos-arm64	Native bindings for macos-arm64

1.2 YOLOv10

在过去的几年里，由于在计算成本和检测性能之间取得了有效的平衡，YOLOs已经成为实时目标检测领域的主导范式。然而，对非最大抑制(NMS)的后处理依赖阻碍了yolo的端到端部署，并对推理延迟产生不利影响。为了解决这些问题，首先提出了一种一致的双任务方法，用于无nms训练的YOLOs，它同时带来了具有竞争力的性能和较低的推理延迟。此外，我们还介绍了整体效率-精度驱动的模型设计策略。我们从效率和精度两个角度对YOLOs的各个组成部分进行了全面优化，大大降低了计算开销，增强了性能。我们的努力成果是用于实时端到端目标检测的新一代YOLO系列，称为YOLOv10。大量的实验表明，YOLOv10在各种模型尺度上都达到了最先进的性能和效率。例如，我们的YOLOv10-S在COCO上类似的AP下比RT-DETR-R18快1.8倍，同时参数数量和FLOPs减少2.8倍。与YOLOv9-C相比，在相同性能下，YOLOv10-B的延迟减少了46%，参数减少了25%。

下图为YOLOv10官方提供的模型训练精度以及不同模型数据量，可以看出YOLOv10与之前其他系列相比，数据量在减少的同时，精度依旧有所提升。

2. 模型获取

2.1 源码下载

YOLOv10 模型需要源码进行下载，首先克隆GitHub上的源码，输入以下指令：

git clone https://github.com/THU-MIG/yolov10.git

cd yolov10

2.2 配置环境

接下来安装模型下载以及转换环境，此处使用Anaconda进行程序集管理，输入以下指令创建一个yolov10环境：

conda create -n yolov10 python=3.9

conda activate yolov10

pip install -r requirements.txt

pip install -e .

然后安装OpenVINO环境，输入以下指令：

pip install openvino==2024.1.0

2.3 下载模型

首先导出目标识别模型，此处以官方预训练模型为例，首先下载预训练模型文件，然后调用yolo导出ONBNX格式的模型文件，最后使用 OpenVINO 的模型转换命令将模型转为IR格式，依次输入以下指令即可：

wget https://github.com/jameslahm/yolov10/releases/download/v1.0/yolov10s.pt

yolo export model=yolov10s.pt format=onnx opset=13 simplify

ovc yolov10s.onnx

模型的结构如下图所示：

3. Yolov10 项目配置

3.1 项目创建与环境配置

在Windows平台开发者可以使用Visual Studio平台开发程序，但无法跨平台实现，为了实现跨平台，此处采用dotnet指令进行项目的创建和配置。

首先使用dotnet创建一个测试项目，在终端中输入一下指令：

dotnet new console --framework net6.0 --use-program-main -o yolov10

此处以Windows平台为例安装项目依赖，首先是安装OpenVINO C# API项目依赖，在命令行中输入以下指令即可：

dotnet add package OpenVINO.CSharp.API

dotnet add package OpenVINO.runtime.win

dotnet add package OpenVINO.CSharp.API.Extensions

dotnet add package OpenVINO.CSharp.API.Extensions.OpenCvSharp

关于在不同平台上搭建 OpenVINO C# API 开发环境请参考以下文章：《在Windows上搭建OpenVINOC#开发环境》、《在Linux上搭建OpenVINOC#开发环境》、《在MacOS上搭建OpenVINOC#开发环境》

接下来安装使用到的图像处理库 OpenCvSharp，在命令行中输入以下指令即可：

dotnet add package OpenCvSharp4

dotnet add package OpenCvSharp4.Extensions

dotnet add package OpenCvSharp4.runtime.win

关于在其他平台上搭建 OpenCvSharp 开发环境请参考以下文章：《【OpenCV】在Linux上使用OpenCvSharp》、《【OpenCV】在MacOS上使用OpenCvSharp》

添加完成项目依赖后，项目的配置文件如下所示：

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

  <PropertyGroup>

    <OutputType>Exe</OutputType>

    <TargetFramework>net6.0</TargetFramework>

    <ImplicitUsings>enable</ImplicitUsings>

    <Nullable>enable</Nullable>

  </PropertyGroup>

  <ItemGroup>

    <PackageReference Include="OpenCvSharp4" Version="4.9.0.20240103" />

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

    <PackageReference Include="OpenCvSharp4.runtime.win" Version="4.9.0.20240103" />

    <PackageReference Include="OpenVINO.CSharp.API" Version="2024.0.0.1" />

    <PackageReference Include="OpenVINO.CSharp.API.Extensions.OpenCvSharp" Version="1.0.4" />

    <PackageReference Include="OpenVINO.runtime.win" Version="2024.0.0.1" />

  </ItemGroup>

</Project>

3.2 定义模型预测方法

使用 OpenVINO C# API 部署模型主要包括以下几个步骤：

初始化 OpenVINO Runtime Core
读取本地模型（将图片数据预处理方式编译到模型）
将模型编译到指定设备
创建推理通道
处理图像输入数据
设置推理输入数据
模型推理
获取推理结果
处理结果数据

3.2.1 定义目标检测模型方法

按照 OpenVINO C# API 部署深度学习模型的步骤，编写YOLOv10模型部署流程，在之前的项目里，我们已经部署了YOLOv5~9等一系列模型，其部署流程是基本一致的，YOLOv10模型部署代码如下所示：

static void yolov10_det(string model_path, string image_path, string device)

{

    // -------- Step 1. Initialize OpenVINO Runtime Core --------

    Core core = new Core();

    // -------- Step 2. Read inference model --------

    Model model = core.read_model(model_path);

    OvExtensions.printf_model_info(model);

    // -------- Step 3. Loading a model to the device --------

    CompiledModel compiled_model = core.compile_model(model, device);

    // -------- Step 4. Create an infer request --------

    InferRequest infer_request = compiled_model.create_infer_request();

    // -------- Step 5. Process input images --------

    Mat image = new Mat(image_path); // Read image by opencvsharp

    int max_image_length = image.Cols > image.Rows ? image.Cols : image.Rows;

    Mat max_image = Mat.Zeros(new OpenCvSharp.Size(max_image_length, max_image_length), MatType.CV_8UC3);

    Rect roi = new Rect(0, 0, image.Cols, image.Rows);

    image.CopyTo(new Mat(max_image, roi));

    float factor = (float)(max_image_length / 640.0);

    // -------- Step 6. Set up input data --------

    Tensor input_tensor = infer_request.get_input_tensor();

    Shape input_shape = input_tensor.get_shape();

    Mat input_mat = CvDnn.BlobFromImage(max_image, 1.0 / 255.0, new OpenCvSharp.Size(input_shape[2], input_shape[3]), 0, true, false);

    float[] input_data = new float[input_shape[1] * input_shape[2] * input_shape[3]];

    Marshal.Copy(input_mat.Ptr(0), input_data, 0, input_data.Length);

    input_tensor.set_data<float>(input_data);

    // -------- Step 7. Do inference synchronously --------

    infer_request.infer();

    // -------- Step 8. Get infer result data --------

    Tensor output_tensor = infer_request.get_output_tensor();

    int output_length = (int)output_tensor.get_size();

    float[] output_data = output_tensor.get_data<float>(output_length);

    // -------- Step 9. Process reault  --------

    List<Rect> position_boxes = new List<Rect>();

    List<int> class_ids = new List<int>();

    List<float> confidences = new List<float>();

    // Preprocessing output results

    for (int i = 0; i < output_data.Length / 6; i++)

    {

        int s = 6 * i;

        if ((float)output_data[s + 4] > 0.5)

        {

            float cx = output_data[s + 0];

            float cy = output_data[s + 1];

            float dx = output_data[s + 2];

            float dy = output_data[s + 3];

            int x = (int)((cx) * factor);

            int y = (int)((cy) * factor);

            int width = (int)((dx - cx) * factor);

            int height = (int)((dy - cy) * factor);

            Rect box = new Rect();

            box.X = x;

            box.Y = y;

            box.Width = width;

            box.Height = height;

            position_boxes.Add(box);

            class_ids.Add((int)output_data[s + 5]);

            confidences.Add((float)output_data[s + 4]);

        }

    }

    for (int i = 0; i < class_ids.Count; i++)

    {

        int index = i;

        Cv2.Rectangle(image, position_boxes[index], new Scalar(0, 0, 255), 2, LineTypes.Link8);

        Cv2.Rectangle(image, new OpenCvSharp.Point(position_boxes[index].TopLeft.X, position_boxes[index].TopLeft.Y + 30),

            new OpenCvSharp.Point(position_boxes[index].BottomRight.X, position_boxes[index].TopLeft.Y), new Scalar(0, 255, 255), -1);

        Cv2.PutText(image, class_ids[index] + "-" + confidences[index].ToString("0.00"),

            new OpenCvSharp.Point(position_boxes[index].X, position_boxes[index].Y + 25),

            HersheyFonts.HersheySimplex, 0.8, new Scalar(0, 0, 0), 2);

    }

    string output_path = Path.Combine(Path.GetDirectoryName(Path.GetFullPath(image_path)),

        Path.GetFileNameWithoutExtension(image_path) + "_result.jpg");

    Cv2.ImWrite(output_path, image);

    Slog.INFO("The result save to " + output_path);

    Cv2.ImShow("Result", image);

    Cv2.WaitKey(0);

}

3.2.2 使用OpenVINO 预处理接口编译模型

OpenVINO提供了推理数据预处理接口，用户可以更具模型的输入数据预处理方式进行设置。在读取本地模型后，调用数据预处理接口，按照模型要求的数据预处理方式进行输入配置，然后再将配置好的预处理接口与模型编译到一起，这样便实现了将模型预处理与模型结合在一起，实现OpenVINO对于处理过程的加速。主要是现在代码如下所示：

static void yolov10_det_process(string model_path, string image_path, string device)

{

    // -------- Step 1. Initialize OpenVINO Runtime Core --------

    Core core = new Core();

    // -------- Step 2. Read inference model --------

    Model model = core.read_model(model_path);

    OvExtensions.printf_model_info(model);

    PrePostProcessor processor = new PrePostProcessor(model);

    Tensor input_tensor_pro = new Tensor(new OvType(ElementType.U8), new Shape(1, 640, 640, 3));

    InputInfo input_info = processor.input(0);

    InputTensorInfo input_tensor_info = input_info.tensor();

    input_tensor_info.set_from(input_tensor_pro).set_layout(new Layout("NHWC")).set_color_format(ColorFormat.BGR);

    PreProcessSteps process_steps = input_info.preprocess();

    process_steps.convert_color(ColorFormat.RGB).resize(ResizeAlgorithm.RESIZE_LINEAR)

        .convert_element_type(new OvType(ElementType.F32)).scale(255.0f).convert_layout(new Layout("NCHW"));

    Model new_model = processor.build();

    // -------- Step 3. Loading a model to the device --------

    CompiledModel compiled_model = core.compile_model(new_model, device);

    // -------- Step 4. Create an infer request --------

    InferRequest infer_request = compiled_model.create_infer_request();

    // -------- Step 5. Process input images --------

    Mat image = new Mat(image_path); // Read image by opencvsharp

    int max_image_length = image.Cols > image.Rows ? image.Cols : image.Rows;

    Mat max_image = Mat.Zeros(new OpenCvSharp.Size(max_image_length, max_image_length), MatType.CV_8UC3);

    Rect roi = new Rect(0, 0, image.Cols, image.Rows);

    image.CopyTo(new Mat(max_image, roi));

    Cv2.Resize(max_image, max_image, new OpenCvSharp.Size(640, 640));

    float factor = (float)(max_image_length / 640.0);

    // -------- Step 6. Set up input data --------

    Tensor input_tensor = infer_request.get_input_tensor();

    Shape input_shape = input_tensor.get_shape();

    byte[] input_data = new byte[input_shape[1] * input_shape[2] * input_shape[3]];

    //max_image.GetArray<int>(out input_data);

    Marshal.Copy(max_image.Ptr(0), input_data, 0, input_data.Length);

    IntPtr destination = input_tensor.data();

    Marshal.Copy(input_data, 0, destination, input_data.Length);

    // -------- Step 7. Do inference synchronously --------

	... ...(后续与上文代码一致)

}

3.2 模型预测方法调用

定义完模型推理接口后，便可以在主函数里进行调用。此处为了让大家更好的复现本文代码，提供了在线模型，用户只需要运行以下代码，便可以直接下载转换好的模型进行模型推理，无需再自行转换，主函数代码如下所示：

static void Main(string[] args)

{

    string model_path = "";

    string image_path = "";

    string device = "AUTO";

    if (args.Length == 0)

    {

        if (!Directory.Exists("./model"))

        {

            Directory.CreateDirectory("./model");

        }

        if (!File.Exists("./model/yolov10s.bin") && !File.Exists("./model/yolov10s.bin"))

        {

            if (!File.Exists("./model/yolov10s.tar"))

            {

                _ = Download.download_file_async("https://github.com/guojin-yan/OpenVINO-CSharp-API-Samples/releases/download/Model/yolov10s.tar",

                    "./model/yolov10s.tar").Result;

            }

            Download.unzip("./model/yolov10s.tar", "./model/");

        }

        if (!File.Exists("./model/test_image.jpg"))

        {

            _ = Download.download_file_async("https://github.com/guojin-yan/OpenVINO-CSharp-API-Samples/releases/download/Image/test_det_02.jpg",

                "./model/test_image.jpg").Result;

        }

        model_path = "./model/yolov10s.xml";

        image_path = "./model/test_image.jpg";

    }

    else if (args.Length >= 2)

    {

        model_path = args[0];

        image_path = args[1];

        device = args[2];

    }

    else

    {

        Console.WriteLine("Please enter the correct command parameters, for example:");

        Console.WriteLine("> 1. dotnet run");

        Console.WriteLine("> 2. dotnet run <model path> <image path> <device name>");

    }

    // -------- Get OpenVINO runtime version --------

    OpenVinoSharp.Version version = Ov.get_openvino_version();

    Slog.INFO("---- OpenVINO INFO----");

    Slog.INFO("Description : " + version.description);

    Slog.INFO("Build number: " + version.buildNumber);

    Slog.INFO("Predict model files: " + model_path);

    Slog.INFO("Predict image  files: " + image_path);

    Slog.INFO("Inference device: " + device);

    Slog.INFO("Start yolov8 model inference.");

    //yolov10_det(model_path, image_path, device);

    yolov10_det_process(model_path, image_path, device);

}

代码提示：

由于篇幅限制，上文中只展示了部分代码，想要获取全部源码，请访问项目GitHub自行下载：

使用OpenVINO C# API部署YOLOv10目标检测模型：
https://github.com/guojin-yan/OpenVINO-CSharp-API-Samples/blob/master/model_samples/yolov10/yolov10_det_opencvsharp/Program.cs
此外为了满足习惯使用EmguCV处理图像数据的开发者，此处我们也提供了EmguCV版本代码：、

使用OpenVINO C# API部署YOLOv10目标检测模型：
https://github.com/guojin-yan/OpenVINO-CSharp-API-Samples/blob/master/model_samples/yolov10/yolov10_det_emgucv/Program.cs

4. 项目运行与演示

4.1 项目编译和运行

接下来输入项目编译指令进行项目编译，输入以下指令即可：

dotnet build

接下来运行编译后的程序文件，在CMD中输入以下指令，运行编译后的项目文件：

dotnet run --no-build

运行后项目输出为：

4.2 YOLOv10 目标检测模型运行结果

下图为YOLOv10 目标检测模型运行输出信息，此处我们使用在线转换好的模型进行推理。，首先会下载指定模型以及推理数据到本地，这样避免了开发者在自己配置环境和下载模型；接下来是输出打印 OpenVINO 版本信息，此处我们使用NuGet安装的依赖项，已经是OpenVINO 2024.0最新版本；接下来就是打印相关的模型信息，并输出每个过程所消耗时间。

下图为使用YOLOv10 目标检测模型推理结果：

5. 总结

在该项目中，我们结合之前开发的 OpenVINO C# API 项目部署YOLOv10模型，成功实现了对象目标检测与实例分割，并且根据不同开发者的使用习惯，同时提供了OpenCvSharp以及Emgu.CV两种版本，供各位开发者使用。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。