将使用一个标准扩散模型,应用多种优化技术,并衡量其对推理速度的影响。本文内容将侧重于使用低精度(FP16)、利用ONNX Runtime等优化运行时以及调整采样器设置等常见且有效的方法。本次练习,我们将使用Hugging Face流行的diffusers库和一个预训练的Stable Diffusion模型。你需要一个支持PyTorch和GPU(CUDA)的Python环境。请确保已安装以下库:pip install --upgrade diffusers transformers accelerate torch torchvision onnx onnxruntime-gpu optimum[onnxruntime-gpu]我们假设你是在可访问NVIDIA GPU的环境中运行此代码。1. 准备工作和基准测量首先,我们加载一个标准Stable Diffusion模型(例如v1.5),并建立一个基准性能测量。我们将定义一个简单函数来生成图像并计时推理过程。import torch from diffusers import StableDiffusionPipeline import time import numpy as np # --- 配置 --- model_id = "runwayml/stable-diffusion-v1-5" device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu" prompt = "a photograph of an astronaut riding a horse on the moon" num_inference_steps = 50 num_runs = 5 # Number of runs for averaging latency # --- 加载基准模型 (FP32) --- print("正在加载基准FP32模型...") pipe_fp32 = StableDiffusionPipeline.from_pretrained(model_id) pipe_fp32.to(device) print("模型已加载。") # --- 定义推理函数 --- def measure_latency(pipe, prompt, num_steps, num_runs): latencies = [] # 预热运行 pipe(prompt, num_inference_steps=num_steps) torch.cuda.synchronize() # 确保CUDA操作完成 for _ in range(num_runs): start_time = time.time() _ = pipe(prompt, num_inference_steps=num_steps) torch.cuda.synchronize() # 等待完成 end_time = time.time() latencies.append(end_time - start_time) avg_latency = np.mean(latencies) std_latency = np.std(latencies) print(f"平均延迟({num_runs} 次运行):{avg_latency:.4f} +/- {std_latency:.4f} 秒") return avg_latency, std_latency # --- 测量基准性能 --- print("\n--- 测量基准 (FP32) 性能 ---") baseline_latency, _ = measure_latency(pipe_fp32, prompt, num_inference_steps, num_runs) # 可选:如果需要,清除内存 # del pipe_fp32 # torch.cuda.empty_cache()运行此代码。它将下载模型(如果尚未缓存),将其加载到GPU上,执行一次预热运行,然后测量多次运行的平均推理时间。记下这个基准延迟。你也可以在另一个终端中使用nvidia-smi等工具监控GPU内存使用情况。2. 优化一:半精度(FP16)最直接的优化之一是切换到半精度浮点数(FP16)。这会减少模型的内存占用,通常会加速现代GPU上的计算,并且对生成质量影响很小。diffusers库使其变得简单。# --- 加载FP16模型 --- print("\n--- 正在加载FP16模型 ---") # 注意:如果遇到问题,可以尝试使用torch_dtype=torch.bfloat16(如果支持) pipe_fp16 = StableDiffusionPipeline.from_pretrained( model_id, torch_dtype=torch.float16, revision="fp16" # 如果可用,使用fp16版本 ) pipe_fp16.to(device) # 如果模型没有专门的fp16版本, # 那么使用torch_dtype=torch.float16加载仍会进行转换。 print("模型已加载。") # --- 测量FP16性能 --- print("\n--- 测量FP16性能 ---") fp16_latency, _ = measure_latency(pipe_fp16, prompt, num_inference_steps, num_runs) # 可选:清除内存 # del pipe_fp16 # torch.cuda.empty_cache()运行此部分代码。将平均延迟与FP32基准进行比较。你会看到大幅提速和内存使用量减少(再次检查nvidia-smi)。生成的图像应与FP32输出非常相似。3. 优化二:ONNX RuntimeONNX(开放神经网络交换)为模型提供了一种可互操作的格式,ONNX Runtime是一个高性能推理引擎,可以执行这些模型,通常还会应用额外的图优化。Hugging Face的Optimum库简化了将diffusers模型导出到ONNX并运行它们的过程。from optimum.onnxruntime import ORTStableDiffusionPipeline import os # --- 导出到ONNX并使用ORT加载 --- onnx_dir = "./stable_diffusion_onnx" # 检查ONNX模型是否已存在以节省时间 if not os.path.exists(os.path.join(onnx_dir, "model.onnx")): print("\n--- 正在导出模型到ONNX ---") # 导出FP16 PyTorch模型以获得更好的ONNX性能 # 如果你之前没有登录过huggingface-cli,可能需要登录 ort_pipe = ORTStableDiffusionPipeline.from_pretrained( model_id, export=True, revision="fp16", torch_dtype=torch.float16 # 在导出时指定数据类型 ) ort_pipe.save_pretrained(onnx_dir) print(f"ONNX模型已保存到 {onnx_dir}") # 可选:清除用于导出的PyTorch模型 del ort_pipe torch.cuda.empty_cache() else: print("\n--- 发现现有ONNX模型 ---") # 使用ORT加载已导出的ONNX模型 print("正在使用ONNX Runtime加载ONNX模型...") # 确保provider为'CUDAExecutionProvider'以实现GPU加速 ort_pipe_loaded = ORTStableDiffusionPipeline.from_pretrained( onnx_dir, provider="CUDAExecutionProvider" # 对于CPU使用'CPUExecutionProvider' ) # ORT管道不需要.to(device),provider会处理 print("ONNX模型已加载。") # --- 测量ONNX Runtime性能 --- # 注意:ORT推理函数可能略有不同或需要调整 # 为简单起见,我们将重用measure_latency,假设API兼容 # (Optimum的目标是实现这一点) print("\n--- 测量ONNX Runtime性能 ---") onnx_latency, _ = measure_latency(ort_pipe_loaded, prompt, num_inference_steps, num_runs) # 可选:清除内存 # del ort_pipe_loaded # torch.cuda.empty_cache()此步骤涉及将模型组件(UNet、VAE、文本编码器)导出到ONNX格式,这在首次运行时可能需要一些时间。Optimum处理此过程。然后,它使用ORTStableDiffusionPipeline加载模型,并指定CUDAExecutionProvider进行GPU加速。再次测量延迟。ONNX Runtime通常比原生PyTorch提供更快的速度,特别是与硬件特定的执行提供者结合使用时。注意: ONNX导出有时会根据模型架构和opset版本而比较复杂。Optimum为许多标准模型大大简化了此过程。4. 优化三:采样器选择和步数减少扩散模型依赖于迭代采样。使用更高效的采样器或减少步数可以大幅降低延迟,尽管通常会牺牲一些生成质量或细节。让我们尝试切换到更快的采样器,如DPMSolverMultistepScheduler,并减少步数。我们将使用FP16管道进行此比较,因为它通常更快。from diffusers import DPMSolverMultistepScheduler # --- 配置更快的采样器 --- # 确保FP16管道已加载,或重新加载它 if 'pipe_fp16' not in locals(): print("正在重新加载FP16模型以进行采样器测试...") pipe_fp16 = StableDiffusionPipeline.from_pretrained( model_id, torch_dtype=torch.float16, revision="fp16" ).to(device) print("\n--- 正在配置更快的采样器 (DPM-Solver++) ---") pipe_fp16.scheduler = DPMSolverMultistepScheduler.from_config(pipe_fp16.scheduler.config) print("采样器已切换到DPMSolverMultistepScheduler。") # --- 测量较少步数下的性能 --- faster_sampler_steps = 25 # 显著减少步数 print(f"\n--- 测量FP16 + DPM-Solver++ ({faster_sampler_steps} 步) ---") sampler_latency, _ = measure_latency(pipe_fp16, prompt, faster_sampler_steps, num_runs) # 如果需要,可目视比较图像质量 # image = pipe_fp16(prompt, num_inference_steps=faster_sampler_steps).images[0] # image.save("optimized_sampler_output.png")运行此部分代码。通过切换到DPMSolverMultistepScheduler并将推理步数减半(从50步到25步),你应该会看到延迟大幅降低,与原始FP16在50步下的运行相比。检查输出图像(如果你取消保存行的注释,文件为optimized_sampler_output.png),并将其质量与使用默认设置生成的图像进行比较。通常,像DPM-Solver++这样的求解器即使在步数大幅减少的情况下也能保持良好的质量。5. 结果汇总我们来收集延迟结果并将其可视化。# --- 汇总结果 --- results = { "基准 (FP32, 50步)": baseline_latency, "FP16 (50步)": fp16_latency, "ONNX Runtime (FP16, 50步)": onnx_latency, "FP16 + DPM++ (25步)": sampler_latency } print("\n--- 性能汇总 ---") for name, latency in results.items(): print(f"{name}: {latency:.4f} 秒") # 创建一个Plotly图表 import plotly.graph_objects as go names = list(results.keys()) latencies = list(results.values()) # 定义调色板中的颜色 colors = ['#4263eb', '#1c7ed6', '#15aabf', '#20c997'] # Blue, Cyan, Teal, Green fig = go.Figure(data=[go.Bar( x=names, y=latencies, marker_color=colors[:len(names)], # 使用定义的颜色 text=[f'{l:.3f}s' for l in latencies], textposition='auto', )]) fig.update_layout( title_text='扩散模型推理延迟比较', xaxis_title_text='优化技术', yaxis_title_text='平均延迟 (秒)', yaxis_range=[0, max(latencies) * 1.1], # 调整y轴范围 font=dict(family="Arial, sans-serif", size=12), plot_bgcolor='#e9ecef', # Light gray background paper_bgcolor='white', bargap=0.2 ) # 显示图表(或保存为HTML) # fig.show() # 生成用于网页显示的JSON chart_json = fig.to_json() # 确保在markdown块中是单行 chart_json_single_line = chart_json.replace('\n', '').replace('\r', '') print("\n--- 图表数据 (Plotly JSON) ---") print(f"```plotly\n{chart_json_single_line}\n```"){"layout": {"bargap": 0.2, "font": {"family": "Arial, sans-serif", "size": 12}, "paper_bgcolor": "white", "plot_bgcolor": "#e9ecef", "title": {"text": "扩散模型推理延迟比较"}, "xaxis": {"title": {"text": "优化技术"}}, "yaxis": {"range": [0, 5.757100105285644], "title": {"text": "平均延迟 (秒)"}}}, "data": [{"marker": {"color": ["#4263eb", "#1c7ed6", "#15aabf", "#20c997"]}, "text": ["5.234s", "2.987s", "2.751s", "1.650s"], "textposition": "auto", "type": "bar", "x": ["基准 (FP32, 50步)", "FP16 (50步)", "ONNX Runtime (FP16, 50步)", "FP16 + DPM++ (25步)"], "y": [5.233727335929871, 2.987123489379883, 2.7514567375183105, 1.6503219604492188]}]}应用于Stable Diffusion v1.5模型的不同优化技术的平均推理延迟。值越低表示性能越好。结果仅供参考,并且很大程度上取决于硬件和具体的模型版本。图表清楚地显示了通过应用FP16精度、使用ONNX Runtime以及最终优化采样过程所实现的延迟逐步降低。请记住,这些结果与所使用的硬件(GPU类型、驱动版本)和模型相关。总结本次实践练习呈现了几种优化扩散模型推理的有效技术:半精度 (FP16): 在速度提升和内存减少之间取得了良好平衡,同时质量损失最小。它通常是第一个也是最容易应用的优化。ONNX Runtime: 通过优化计算图和运用高效的执行提供者,可以提供额外的性能提升。它需要导出步骤,但通过Optimum等库可以简化。采样器优化: 选择更快的采样器(如DPM-Solver++)并减少推理步数可以大幅降低延迟,但需要仔细调整以保持可接受的输出质量。我们在此处没有详细讨论高级量化(如INT8)或深度编译器优化(如TensorRT),因为它们通常需要更复杂的校准步骤或专用工具。然而,所介绍的方法提供了显著的改进,并构成了优化扩散模型以进行部署的依据。最佳的技术组合将取决于你具体的延迟、吞吐量、成本和质量要求。始终在你的目标硬件上进行基准测试,以验证任何优化的效果。