ncnn op解读之binaryop

binaryop的解读

binaryop是用来二元计算的op,看binaryop.h的内容:


class BinaryOp : public Layer
{
public:
    BinaryOp();

    virtual int load_param(const ParamDict& pd);
    
    using Layer::forward;
    using Layer::forward_inplace;
    virtual int forward(const std::vector<Mat>& bottom_blobs, std::vector<Mat>& top_blobs, const Option& opt) const;
    
    virtual int forward_inplace(Mat& bottom_top_blob, const Option& opt) const;
    
    enum OperationType
    {
        Operation_ADD = 0,
        Operation_SUB = 1,
        Operation_MUL = 2,
        Operation_DIV = 3,
        Operation_MAX = 4,
        Operation_MIN = 5,
        Operation_POW = 6,
        Operation_RSUB = 7,
        Operation_RDIV = 8
    };

public:
    // param
    int op_type;
    int with_scalar;
    float b;
};

枚举OperationType下面就是此op的所有计算类型了。

接着看binaryop.cpp的构造函数:

BinaryOp::BinaryOp()
{
    one_blob_only = false;
    support_inplace = false;
}

构造函数里面被初始化成多输入多输出以及不能就地运算。

我们再来看参数装载函数:

int BinaryOp::load_param(const ParamDict& pd)
{
    op_type = pd.get(0, 0);
    with_scalar = pd.get(1, 0);
    b = pd.get(2, 0.f);

    //如果是标量则为单输入单输出且为就地运算
    if (with_scalar != 0)
    {
        one_blob_only = true;
        support_inplace = true;
    }

    return 0;
}

此op共有三个参数:

  1. op_type:计算类型,也就是上面枚举中定义的那些。
  2. with_scalar:是否是标量。
  3. b:标量值。

前面头文件可以看到此op有两个推理的重载,一个是矩阵与矩阵的二元运算,一个是矩阵与标量的二元运算。由于运算类型很多,这里ncnn用了函数模板。我们先来看矩阵与标量的运算:

template<typename Op>
static int binary_op_scalar_inplace(Mat& a, float b, const Option& opt)
{
    //操作,这是一个类,这里面用了一个operator()重载所以,op就是操作函数
    Op op;

    int w = a.w;
    int h = a.h;
    int channels = a.c;
    int size = w * h;
    //openmp指令,用于多线程
    #pragma omp parallel for num_threads(opt.num_threads)
    for (int q = 0; q < channels; q++)
    {
        float* ptr = a.channel(q);
        //对每个通道的所有元素执行与标量b的二元运算
        for (int i = 0; i < size; i++)
        {
            ptr[i] = op(ptr[i], b);
        }
    }

    return 0;
}

矩阵与矩阵的二元运算函数过长,这里面只贴出关键的计算,这里面涉及到一个知识点,就是矩阵和矩阵之间运算需要注意Broadcasting机制。这里推荐一篇别人的文章,也是简书的: 介绍Broadcasting

ncnn代码这里up主写了个注释:
broadcasting rule:
https://github.com/Tencent/ncnn/wiki/binaryop-broadcasting

上面链接里内容如下:

broadcasting rule

ncnn BinaryOp accepts blobs with different shape

C = BinaryOp(A, B)

shape notation convention is [w], [w,h], [w,h,c]

type A B C
1 [1] scalar [1]
2 [1] [2] [2]
3 [1] [2,3] [2,3]
4 [1] [2,3,4] [2,3,4]
5 [2] scalar [2]
6 [2] [1] [2]
7 [2] [2] [2]
8 [3] [2,3] [2,3]
9 [4] [2,3,4] [2,3,4]
10 [2,3] scalar [2,3]
11 [2,3] [1] [2,3]
12 [2,3] [3] [2,3]
13 [2,3] [2,3] [2,3]
14 [3,4] [2,3,4] [2,3,4]
15 [2,3,4] scalar [2,3,4]
16 [2,3,4] [1] [2,3,4]
17 [2,3,4] [4] [2,3,4]
18 [2,3,4] [3,4] [2,3,4]
19 [2,3,4] [2,3,4] [2,3,4]

some special broadcasting rule exists for model compatibility

special type A B C
1 [2,3,4] [1,1,4] [2,3,4]
2 [2,3,4] [2,3,1] [2,3,4]
3 [1,1,4] [2,3,4] [2,3,4]
4 [2,3,1] [2,3,4] [2,3,4]

程序大体上结构是基于if...else...的,底层两个blob作为输入,顶层一个blob作为输出。先来看看a为三维矩阵,b也为三维矩阵时的计算(对于计算过程的分析全部写在注释里):

            if (w1 == 1 && h1 == 1 && channels1 == channels)
            {
                // special type 1
                //这里面注释是特殊类型1,从表中可以看出矩阵B的wh都是1
                //创造top blob矩阵c,形状和a一致
                c.create(w, h, channels, elemsize, opt.blob_allocator);
                if (c.empty())
                    return -100;
                //openmp指令,用于多线程
                #pragma omp parallel for num_threads(opt.num_threads)
                for (int q = 0; q < channels; q++)
                {
                    const float* ptr = a.channel(q);
                    //矩阵b实际上只有4个元素,分布在四个通道上,这里把b和a的形状补全成一样的,这样每个通道上各自的矩形内所有元素都相等。
                    const float* b0 = b.channel(q);
                    float* outptr = c.channel(q);
                    for (int i = 0; i < size; i++)
                    {
                        outptr[i] = op(ptr[i], b0[0]);
                    }
                }

                return 0;
            }

            if (w1 == w && h1 == h && channels1 == 1)
            {
                // special type 2
                //这里面注释是特殊类型1,从表中可以看出矩阵B的通道数为1
                //创造top blob矩阵c,形状和a一致
                c.create(w, h, channels, elemsize, opt.blob_allocator);
                if (c.empty())
                    return -100;
                //openmp指令,用于多线程
                #pragma omp parallel for num_threads(opt.num_threads)
                for (int q = 0; q < channels; q++)
                {
                    const float* ptr = a.channel(q);
                    //这里通道数为1,意味着必须沿着2号轴就行扩展,使b的形状与a一致,讲矩形内元素复制几份
                    const float* ptr1 = b;
                    float* outptr = c.channel(q);
                    for (int i = 0; i < size; i++)
                    {
                        outptr[i] = op(ptr[i], ptr1[i]);
                    }
                }

                return 0;
            }
            //下面这两种特殊情况与上面两种正好反过来,这里就不详细介绍了
            if (w == 1 && h == 1 && channels1 == channels)
            {
                // special type 3
                c.create(w1, h1, channels1, elemsize, opt.blob_allocator);
                if (c.empty())
                    return -100;

                #pragma omp parallel for num_threads(opt.num_threads)
                for (int q = 0; q < channels1; q++)
                {
                    const float* a0 = a.channel(q);
                    const float* ptr1 = b.channel(q);
                    float* outptr = c.channel(q);
                    for (int i = 0; i < size1; i++)
                    {
                        outptr[i] = op(a0[0], ptr1[i]);
                    }
                }

                return 0;
            }

            if (w1 == w && h1 == h && channels == 1)
            {
                // special type 4
                c.create(w1, h1, channels1, elemsize, opt.blob_allocator);
                if (c.empty())
                    return -100;

                #pragma omp parallel for num_threads(opt.num_threads)
                for (int q = 0; q < channels1; q++)
                {
                    const float* ptr = a;
                    const float* ptr1 = b.channel(q);
                    float* outptr = c.channel(q);
                    for (int i = 0; i < size1; i++)
                    {
                        outptr[i] = op(ptr[i], ptr1[i]);
                    }
                }

                return 0;
            }

            // type 19
            // 这个是大表格里的类型19,形状相等的矩阵进行计算,这个很简单,就不详细说了,需要注意的是我们这里的乘除法不是矩阵乘除法,仅仅是两个矩阵对应元素的乘除。
            c.create(w, h, channels, elemsize, opt.blob_allocator);
            if (c.empty())
                return -100;

            #pragma omp parallel for num_threads(opt.num_threads)
            for (int q = 0; q < channels; q++)
            {
                const float* ptr = a.channel(q);
                const float* ptr1 = b.channel(q);
                float* outptr = c.channel(q);

                for (int i = 0; i < size; i++)
                {
                    outptr[i] = op(ptr[i], ptr1[i]);
                }
            }

            return 0;
        }

写到这里,我想下面应该没有写下去的必要了,就是根据上面表格里的broadcasting rule去计算两个矩阵的运算。

pr内容:

binaryop

This operation is used for binary computation, and the calculation rule depends on the broadcasting rule. broadcasting rule

C = BinaryOp(A, B)

if with_scalar = 1:

  • one_blob_only
  • support_inplace
param id name type default description
0 op_type int 0 Operation type
1 with_scalar int 0 1=B is a scalar, 0=B is a matrix
2 b float 0.f When B is a scalar, B = b
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