推断文档

概念

下采样比

该表仅供参考。可根据视频内容进行调节。

分辨率	人像	全身
<= 512x512	1	1
1280x720	0.375	0.6
1920x1080	0.25	0.4
3840x2160	0.125	0.2

模型在内部将高分辨率输入缩小做初步的处理，然后再放大做细分处理。

建议设置 downsample_ratio 使缩小后的分辨率维持在 256 到 512 像素之间. 例如，1920x1080 的输入用 downsample_ratio=0.25，缩小后的分辨率 480x270 在 256 到 512 像素之间。

根据视频内容调整 downsample_ratio。若视频是上身人像，低 downsample_ratio 足矣。若视频是全身像，建议尝试更高的 downsample_ratio。但注意，过高的 downsample_ratio 反而会降低效果。

循环记忆

此模型是循环神经网络（Recurrent Neural Network）。必须按顺序处理视频每帧，并提供网络循环记忆。

正确用法

循环记忆输出被传递到下一帧做输入。

rec = [None] * 4  # 初始值设置为 None

for frame in YOUR_VIDEO:
    fgr, pha, *rec = model(frame, *rec, downsample_ratio)

错误用法

没有使用循环记忆。此方法仅可用于处理单独的图片。

for frame in YOUR_VIDEO:
    fgr, pha = model(frame, downsample_ratio)[:2]

更多技术细节见论文。

PyTorch

载入模型：

import torch
from model import MattingNetwork

model = MattingNetwork(variant='mobilenetv3').eval().cuda() # 或 variant="resnet50"
model.load_state_dict(torch.load('rvm_mobilenetv3.pth'))

推断循环：

rec = [None] * 4 # 初始值设置为 None

for src in YOUR_VIDEO:  # src 可以是 [B, C, H, W] 或 [B, T, C, H, W]
    fgr, pha, *rec = model(src, *rec, downsample_ratio=0.25)

src: 输入帧（Source）。
- 可以是 [B, C, H, W] 或 [B, T, C, H, W] 的张量。
- 若是 [B, T, C, H, W]，可给模型一次 T 帧，做一小段一小段地处理，用于更好的并行计算。
- RGB 通道输入，范围为 0~1。
fgr, pha: 前景（Foreground）和透明度通道（Alpha）的预测。
- 根据src，可为 [B, C, H, W] 或 [B, T, C, H, W] 的输出。
- fgr 是 RGB 三通道，pha 为一通道。
- 输出范围为 0~1。
rec: 循环记忆（Recurrent States）。
- List[Tensor, Tensor, Tensor, Tensor] 类型。
- 初始 rec 为 List[None, None, None, None]。
- 有四个记忆，因为网络使用四个 ConvGRU 层。
- 无论 src 的 Rank，所有记忆张量的 Rank 为 4。
- 若一次给予 T 帧，只返回处理完最后一帧后的记忆。

完整的推断例子：

from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision.transforms import ToTensor
from inference_utils import VideoReader, VideoWriter

reader = VideoReader('input.mp4', transform=ToTensor())
writer = VideoWriter('output.mp4', frame_rate=30)

bgr = torch.tensor([.47, 1, .6]).view(3, 1, 1).cuda()  # 绿背景
rec = [None] * 4                                       # 初始记忆

with torch.no_grad():
    for src in DataLoader(reader):
        fgr, pha, *rec = model(src.cuda(), *rec, downsample_ratio=0.25)  # 将上一帧的记忆给下一帧
        writer.write(fgr * pha + bgr * (1 - pha))

或者使用提供的视频转换 API：

from inference import convert_video

convert_video(
    model,                           # 模型，可以加载到任何设备（cpu 或 cuda）
    input_source='input.mp4',        # 视频文件，或图片序列文件夹
    input_resize=(1920, 1080),       # [可选项] 缩放视频大小
    downsample_ratio=0.25,           # [可选项] 下采样比，若 None，自动下采样至 512px
    output_type='video',             # 可选 "video"（视频）或 "png_sequence"（PNG 序列）
    output_composition='com.mp4',    # 若导出视频，提供文件路径。若导出 PNG 序列，提供文件夹路径
    output_alpha="pha.mp4",          # [可选项] 输出透明度预测
    output_foreground="fgr.mp4",     # [可选项] 输出前景预测
    output_video_mbps=4,             # 若导出视频，提供视频码率
    seq_chunk=12,                    # 设置多帧并行计算
    num_workers=1,                   # 只适用于图片序列输入，读取线程
    progress=True                    # 显示进度条
)

也可通过命令行调用转换 API：

python inference.py \
    --variant mobilenetv3 \
    --checkpoint "CHECKPOINT" \
    --device cuda \
    --input-source "input.mp4" \
    --downsample-ratio 0.25 \
    --output-type video \
    --output-composition "composition.mp4" \
    --output-alpha "alpha.mp4" \
    --output-foreground "foreground.mp4" \
    --output-video-mbps 4 \
    --seq-chunk 12

TorchHub

载入模型：

model = torch.hub.load("PeterL1n/RobustVideoMatting", "mobilenetv3") # or "resnet50"

使用转换 API，具体请参考之前对 convert_video 的文档。

convert_video = torch.hub.load("PeterL1n/RobustVideoMatting", "converter")

convert_video(model, ...args...)

TorchScript

载入模型：

import torch
model = torch.jit.load('rvm_mobilenetv3.torchscript')

也可以可选的将模型固化（Freeze）。这会对模型进行优化，例如 BatchNorm Fusion 等。固化的模型更快。

model = torch.jit.freeze(model)

然后，可以将 model 作为普通的 PyTorch 模型使用。但注意，若用固化模型调用转换 API，必须手动提供 device 和 dtype:

convert_video(frozen_model, ...args..., device='cuda', dtype=torch.float32)

ONNX

模型规格:

输入: [src, r1i, r2i, r3i, r4i, downsample_ratio].
- src：输入帧，RGB 通道，形状为 [B, C, H, W]，范围为0~1。
- rXi：记忆输入，初始值是是形状为 [1, 1, 1, 1] 的零张量。
- downsample_ratio 下采样比，张量形状为 [1]。
- 只有 downsample_ratio 必须是 FP32，其他输入必须和加载的模型使用一样的 dtype。
输出: [fgr, pha, r1o, r2o, r3o, r4o]
- fgr, pha：前景和透明度通道输出，范围为 0~1。
- rXo：记忆输出。

我们只展示用 ONNX Runtime CUDA Backend 在 Python 上的使用范例。

载入模型：

import onnxruntime as ort

sess = ort.InferenceSession('rvm_mobilenetv3_fp16.onnx')

简单推断循环，但此方法不是最优化的：

import numpy as np

rec = [ np.zeros([1, 1, 1, 1], dtype=np.float16) ] * 4  # 必须用模型一样的 dtype
downsample_ratio = np.array([0.25], dtype=np.float32)  # 必须是 FP32

for src in YOUR_VIDEO:  # src 张量是 [B, C, H, W] 形状，必须用模型一样的 dtype
    fgr, pha, *rec = sess.run([], {
        'src': src, 
        'r1i': rec[0], 
        'r2i': rec[1], 
        'r3i': rec[2], 
        'r4i': rec[3], 
        'downsample_ratio': downsample_ratio
    })

若使用 GPU，上例会将记忆输出传回到 CPU，再在下一帧时传回到 GPU。这种传输是无意义的，因为记忆值可以留在 GPU 上。下例使用 iobinding 来杜绝无用的传输。

import onnxruntime as ort
import numpy as np

# 载入模型
sess = ort.InferenceSession('rvm_mobilenetv3_fp16.onnx')

# 创建 io binding.
io = sess.io_binding()

# 在 CUDA 上创建张量
rec = [ ort.OrtValue.ortvalue_from_numpy(np.zeros([1, 1, 1, 1], dtype=np.float16), 'cuda') ] * 4
downsample_ratio = ort.OrtValue.ortvalue_from_numpy(np.asarray([0.25], dtype=np.float32), 'cuda')

# 设置输出项
for name in ['fgr', 'pha', 'r1o', 'r2o', 'r3o', 'r4o']:
    io.bind_output(name, 'cuda')

# 推断
for src in YOUR_VIDEO:
    io.bind_cpu_input('src', src)
    io.bind_ortvalue_input('r1i', rec[0])
    io.bind_ortvalue_input('r2i', rec[1])
    io.bind_ortvalue_input('r3i', rec[2])
    io.bind_ortvalue_input('r4i', rec[3])
    io.bind_ortvalue_input('downsample_ratio', downsample_ratio)

    sess.run_with_iobinding(io)

    fgr, pha, *rec = io.get_outputs()

    # 只将 `fgr` 和 `pha` 回传到 CPU
    fgr = fgr.numpy()
    pha = pha.numpy()

注：若你使用其他推断框架，可能有些 ONNX ops 不被支持，需被替换。可以参考 onnx 分支的代码做自行导出。

TensorFlow

范例:

import tensorflow as tf

model = tf.keras.models.load_model('rvm_mobilenetv3_tf')
model = tf.function(model)

rec = [ tf.constant(0.) ] * 4         # 初始记忆
downsample_ratio = tf.constant(0.25)  # 下采样率，根据视频调整

for src in YOUR_VIDEO:  # src 张量是 [B, H, W, C] 的形状，而不是 [B, C, H, W]!
    out = model([src, *rec, downsample_ratio])
    fgr, pha, *rec = out['fgr'], out['pha'], out['r1o'], out['r2o'], out['r3o'], out['r4o']

注意，在 TensorFlow 上，所有张量都是 Channal Last 的格式。

我们提供 TensorFlow 的原始模型代码，请参考 tensorflow 分支。您可自行将 PyTorch 的权值转到 TensorFlow 模型上。

TensorFlow.js

我们在 tfjs 分支提供范例代码。代码简单易懂，解释如何正确使用模型。

CoreML

我们只展示在 Python 下通过 coremltools 使用 CoreML 模型。在部署时，同样逻辑可用于 Swift。模型的循环记忆输入不需要在处理第一帧时提供。CoreML 内部会自动创建零张量作为初始记忆。

import coremltools as ct

model = ct.models.model.MLModel('rvm_mobilenetv3_1920x1080_s0.25_int8.mlmodel')

r1, r2, r3, r4 = None, None, None, None

for src in YOUR_VIDEO:  # src 是 PIL.Image.
    
    if r1 is None:
        # 初始帧, 不用提供循环记忆
        inputs = {'src': src}
    else:
        # 剩余帧，提供循环记忆
        inputs = {'src': src, 'r1i': r1, 'r2i': r2, 'r3i': r3, 'r4i': r4}

    outputs = model.predict(inputs)

    fgr = outputs['fgr']  # PIL.Image
    pha = outputs['pha']  # PIL.Image
    
    r1 = outputs['r1o']  # Numpy array
    r2 = outputs['r2o']  # Numpy array
    r3 = outputs['r3o']  # Numpy array
    r4 = outputs['r4o']  # Numpy array

我们的 CoreML 模型只支持固定分辨率。如果你需要其他分辨率，可自行导出。导出代码见 coreml 分支。

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