ATC Model Converter

华为昇腾 NPU 上完整的 PT -> ONNX -> OM 模型转换与端到端推理适配工具链。支持任意标准 PyTorch 或 ONNX 模型。

支持的 CANN 版本： 8.1.RC1, 8.3.RC1, 8.5.0+

⚠️ 环境兼容性警告： Python 必须 ≤ 3.10（推荐 3.10），NumPy 必须 < 2.0，ONNX opset 推荐 11。 违反这三条是最常见的转换失败原因。详见 FAQ.md。

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开始之前：用户必须提供的信息

Agent 在执行本 Skill 的任何 Workflow 之前，必须先向用户收集以下信息。 缺少任何一项时，Agent 应主动询问用户，而不是猜测或跳过。

必需信息	说明	示例
模型权重路径	.pt / .pth / .onnx 文件的本地路径或下载地址	/home/user/models/yolo26n.pt
代码仓库地址	模型所属项目的 Git 仓库 URL 或本地路径	https://github.com/ultralytics/ultralytics

可选信息	说明	默认行为
目标任务类型	分类/检测/分割/姿态/OBB 等	Agent 从代码仓中自动识别
目标输入尺寸	模型推理时的输入分辨率	Agent 通过 Workflow 1 自动发现
测试图片/数据	用于验证端到端推理的样例输入	Agent 使用随机数据或从仓库中寻找

Agent 收集信息后的标准开场白模板：

收到以下信息：
- 模型权重：<path>
- 代码仓库：<url_or_path>
- 任务类型：<type_or_待确认>

我将按以下流程执行：
1. 分析代码仓库，发现模型参数 (Workflow 1)
2. 导出 ONNX (Workflow 2)
3. ATC 转换为 OM (Workflow 3)
4. 端到端推理适配 (Workflow 4)
5. 精度与推理验证 (Workflow 5)
6. 生成可复现 README (Workflow 6)

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Workflow 1: 代码分析与参数发现 (Source Code Analysis & Parameter Discovery)

Anti-Hardcoding Rule (反硬编码铁律): Agent 在执行本 Skill 时，绝对禁止猜测或使用任何"常见默认值"（如 640x640、224x224、batch_size=1）作为转换参数。 所有 input_shape、input_names、opset_version 等关键参数，必须有用户项目代码层面的证据支撑。 如果无法从代码中确认，必须明确询问用户，而不是静默填入默认值。

Phase 1: 静态代码审查 (Static Analysis)

收到用户的项目路径后，Agent 应按以下优先级搜索代码线索，提取 input_shape 和预处理参数：

1.1 搜索预处理管道 (Preprocessing Pipeline)

在项目代码中搜索以下模式，提取目标分辨率：

# 搜索关键词（按优先级排列）
cv2.resize(img, (W, H))                     # OpenCV resize -> 提取 (W, H)
transforms.Resize((H, W))                   # torchvision -> 提取 (H, W)，注意 HW 顺序
transforms.CenterCrop(size)                  # torchvision -> 提取 crop size
Image.resize((W, H))                         # PIL -> 提取 (W, H)
F.interpolate(x, size=(H, W))               # torch functional -> 提取 (H, W)
albumentations.Resize(height=H, width=W)     # albumentations -> 提取 H, W

# Agent 应执行的搜索命令示例
grep -rn "cv2.resize\|transforms.Resize\|Image.resize\|F.interpolate\|\.resize(" /path/to/project --include="*.py"
grep -rn "img_size\|image_size\|input_size\|imgsz\|resolution" /path/to/project --include="*.py" --include="*.yaml" --include="*.json"

1.2 搜索配置入口 (Configuration Entry Points)

查找 CLI 参数定义和配置文件中的 shape 信息：

# argparse 定义中的线索
parser.add_argument('--img-size', type=int, default=640)      # -> input H/W = 640
parser.add_argument('--batch-size', type=int, default=1)      # -> batch dimension
parser.add_argument('--input-size', nargs=2, default=[224,224]) # -> H, W

# 配置文件中的线索 (.yaml / .json / .cfg)
input_size: [3, 224, 224]    # -> C, H, W
image_shape: [640, 640]      # -> H, W

# Agent 应执行的搜索命令示例
grep -rn "add_argument.*size\|add_argument.*shape\|add_argument.*resolution\|add_argument.*dim" /path/to/project --include="*.py"
find /path/to/project -name "*.yaml" -o -name "*.yml" -o -name "*.json" -o -name "*.cfg" | head -20

1.3 搜索模型前向传播 (Model Forward Pass)

查找代码中已有的 dummy_input 或 forward 函数签名：

# 已有的导出代码
dummy_input = torch.randn(1, 3, 224, 224)   # -> 直接提取 shape
torch.onnx.export(model, dummy, ...)         # -> 查看 dummy 的定义

# forward 函数的类型注解或 docstring
def forward(self, x: Tensor) -> Tensor:
    """Args: x: (B, 3, H, W) input tensor"""  # -> 提取 channel=3

# 数据加载器中的线索
DataLoader(dataset, batch_size=8)            # -> batch dimension

# Agent 应执行的搜索命令示例
grep -rn "dummy_input\|dummy\|torch.randn\|torch.zeros\|torch.ones" /path/to/project --include="*.py"
grep -rn "def forward" /path/to/project --include="*.py"

1.4 证据汇总模板

Agent 在完成静态分析后，必须以如下格式输出证据链：

=== Parameter Discovery Report ===

input_shape: [1, 3, 640, 640]
  Evidence: found in config.yaml line 12: "input_size: [3, 640, 640]"
  Evidence: confirmed by transforms.py line 45: "transforms.Resize((640, 640))"

input_names: ["images"]
  Evidence: found in export.py line 30: 'input_names=["images"]'

opset_version: 11
  Evidence: found in export.py line 31: "opset_version=11"
  CANN compatibility: OK (CANN 8.3.RC1 supports opset 11)

Confidence: HIGH (multiple consistent sources)

Phase 2: 动态探针注入 (Dynamic Probing)

当且仅当静态分析无法确定 input_shape 时（如逻辑嵌套过深、动态计算 shape），Agent 应编写并运行一个临时探针脚本来捕获真实的运行时张量信息。

方案 A: 数据集探针 — 从 DataLoader 中获取真实输入 shape

#!/usr/bin/env python3
"""Probe: Extract input tensor shape from the project's data pipeline."""
import sys
sys.path.insert(0, '/path/to/project')

# Import the project's dataset/dataloader
# (Agent 需要根据实际项目代码调整以下 import)
from dataset import create_dataloader  # 或其他数据加载入口

loader = create_dataloader(split='val', batch_size=1)
batch = next(iter(loader))

# Handle common batch formats
if isinstance(batch, (list, tuple)):
    tensor = batch[0]
elif isinstance(batch, dict):
    # Common keys: 'image', 'img', 'input', 'pixel_values'
    for key in ['image', 'img', 'input', 'pixel_values', 'x']:
        if key in batch:
            tensor = batch[key]
            break
else:
    tensor = batch

print(f"PROBE_RESULT: input_shape={list(tensor.shape)}, dtype={tensor.dtype}")

方案 B: 模型追踪探针 — 通过 forward hook 捕获输入

#!/usr/bin/env python3
"""Probe: Capture model input shape via forward hook."""
import torch
import sys
sys.path.insert(0, '/path/to/project')

# Load model (Agent 需要根据实际项目代码调整)
model = torch.load('model.pt', map_location='cpu')
model.eval()

# Register hook on the first layer to capture input
captured = {}
def hook_fn(module, input, output):
    captured['input_shape'] = list(input[0].shape)
    captured['input_dtype'] = str(input[0].dtype)

first_layer = list(model.children())[0]
first_layer.register_forward_hook(hook_fn)

# Try common input shapes to see which one doesn't crash
for shape in [(1,3,224,224), (1,3,256,256), (1,3,384,384), (1,3,512,512), (1,3,640,640)]:
    try:
        with torch.no_grad():
            model(torch.randn(*shape))
        print(f"PROBE_RESULT: shape {shape} -> SUCCESS, captured={captured}")
        break
    except Exception as e:
        print(f"PROBE_RESULT: shape {shape} -> FAILED ({e})")

方案 C: ONNX 模型自检 — 如果已有 ONNX 文件

# 直接从已有 ONNX 模型提取全部 I/O 信息
python3 scripts/get_onnx_info.py model.onnx

探针安全规则：

• 探针脚本必须是只读的，不修改用户项目的任何文件
• 探针执行完毕后，Agent 应向用户报告发现结果并请求确认
• 如果探针也无法确定 shape，Agent 必须明确询问用户，而不是猜测

Phase 3: 后处理类型识别 (Post-processing Identification)

Agent 应识别用户项目中的后处理类型，为后续 Workflow 4（端到端推理适配）做准备。

# 搜索后处理关键词
grep -rn "nms\|non_max_suppression\|softmax\|argmax\|sigmoid\|postprocess\|decode" /path/to/project --include="*.py"

任务类型	典型后处理	搜索关键词
分类 (Classification)	softmax/argmax -> label	softmax, argmax, topk, class_names
检测 (Detection)	decode + NMS -> boxes	nms, non_max_suppression, bbox, anchor
分割 (Segmentation)	argmax/threshold -> mask	argmax, threshold, mask, palette
关键点 (Pose)	decode -> keypoints	keypoint, heatmap, joint, skeleton
生成 (Generation)	denormalize -> image	denormalize, clamp, to_pil, save_image

注意： 此阶段仅做识别和记录，实际的推理脚本生成在 Workflow 4 中完成。

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Workflow 2: PyTorch → ONNX 导出

使用 export_onnx.py 将任意标准 PyTorch 模型导出为 ONNX 格式。

基本用法

# 导出 PyTorch 模型 (.pt / .pth)
python3 scripts/export_onnx.py \
    --pt_model model.pt \
    --output model.onnx \
    --input_shape 1,3,224,224

# 指定 opset 版本（默认 11，CANN 兼容性最佳）
python3 scripts/export_onnx.py \
    --pt_model model.pt \
    --output model.onnx \
    --input_shape 1,3,224,224 \
    --opset 13

动态维度导出

# 动态 batch size
python3 scripts/export_onnx.py \
    --pt_model model.pt \
    --output model.onnx \
    --input_shape 1,3,224,224 \
    --dynamic_axes '{"input": {"0": "batch"}, "output": {"0": "batch"}}'

导出 Torchvision 预训练模型

python3 scripts/export_onnx.py \
    --torchvision resnet50 \
    --output resnet50.onnx \
    --input_shape 1,3,224,224

特定框架导出

对于特定框架的模型，优先使用框架自带的导出方式：

# HuggingFace Transformers example
from transformers import AutoModel
import torch
model = AutoModel.from_pretrained("bert-base-uncased")
model.eval()
dummy = torch.randint(0, 1000, (1, 128))
torch.onnx.export(model, dummy, "bert.onnx", opset_version=13,
                   input_names=["input_ids"], output_names=["output"])

运行 python3 scripts/export_onnx.py --help 查看完整参数列表。支持的格式：完整模型（torch.save）、TorchScript、含 "model" 键的 checkpoint dict。纯 state dict 不支持（需要模型架构定义）。

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Workflow 3: ONNX 检查 & ATC 转换

第 1 步：检查 ONNX 模型

# 查看模型输入输出信息，获取推荐的 ATC 命令
python3 scripts/get_onnx_info.py model.onnx

第 2 步：环境配置

# 自动检测 CANN 版本并配置环境
./scripts/setup_env.sh

# 验证环境
./scripts/check_env_enhanced.sh

手动配置及多版本共存请参考 CANN_VERSIONS.md。

第 3 步：确认 SoC 版本

ATC 转换中的 --soc_version 必须与目标设备完全一致！

# 查询设备的 SoC 版本
npu-smi info | grep Name
# 输出: Name: 910B3  -> 使用: --soc_version=Ascend910B3
# 输出: Name: 310P3  -> 使用: --soc_version=Ascend310P3

设备	SoC Version	查询方式
Atlas 910B3	Ascend910B3	npu-smi info | grep Name
Atlas 310P	Ascend310P1/P3	npu-smi info | grep Name
Atlas 200I DK A2	Ascend310B4	npu-smi info | grep Name

常见报错：

[ACL ERROR] EE1001: supported socVersion=Ascend910B3,
but the model socVersion=Ascend910B

修复： 使用 npu-smi info 输出的精确 SoC 版本，不要使用缩写。

第 4 步：ATC 转换

# 基本转换（ONNX 中为静态 shape 时可自动推断）
atc --model=model.onnx --framework=5 --output=model_om \
    --soc_version=Ascend910B3

# 显式指定 input shape
atc --model=model.onnx --framework=5 --output=model_om \
    --soc_version=Ascend910B3 \
    --input_shape="input:1,3,224,224"

# 使用 FP16 精度以提升性能
atc --model=model.onnx --framework=5 --output=model_om \
    --soc_version=Ascend910B3 \
    --input_shape="input:1,3,224,224" \
    --precision_mode=force_fp16

# 动态 batch size
atc --model=model.onnx --framework=5 --output=model_om \
    --soc_version=Ascend910B3 \
    --input_shape="input:-1,3,224,224" \
    --dynamic_batch_size="1,2,4,8"

加速转换：

export TE_PARALLEL_COMPILER=16  # 并行编译

完整 ATC 参数参考见 PARAMETERS.md。AIPP 配置见 AIPP_CONFIG.md。

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Workflow 4: 端到端推理适配 (End-to-End Inference Adaptation)

目标： 基于用户提供的代码仓库，生成一个完整的端到端 NPU 推理脚本。 该脚本复用原始仓库的预处理和后处理逻辑，仅将模型推理部分替换为 OM 模型。 最终用户获得的是一个可以直接输入原始数据（图片/文本/音频）并输出业务结果的脚本， 而非仅输出原始张量的 infer_om.py。

前置条件

• Workflow 1 已完成（参数已发现）
• Workflow 2-3 已完成（OM 模型已生成）
• 用户代码仓已克隆到本地

Step 1: 分析原始推理流程

Agent 需要从用户仓库中找到完整的推理入口，理解其三段式结构：

# 搜索推理入口文件
grep -rn "def predict\|def infer\|def forward\|def __call__\|def run\b" /path/to/repo --include="*.py"
grep -rn "if __name__\|argparse\|click\|typer" /path/to/repo --include="*.py" | grep -i "infer\|predict\|detect\|demo\|test"

Agent 应识别以下三个阶段并记录其代码位置：

阶段	需识别的内容	搜索关键词
预处理	输入数据 → 模型输入张量	preprocess, transform, resize, normalize, letterbox, pad
模型推理	张量 → 原始输出张量	model(, forward(, session.run, torch.no_grad
后处理	原始输出 → 业务结果	postprocess, nms, decode, softmax, argmax, draw, visualize

输出要求： Agent 必须生成推理流程分析报告：

=== Inference Pipeline Analysis ===

入口文件: ultralytics/engine/predictor.py
预处理: ultralytics/data/augment.py :: LetterBox (line 420)
  - resize to imgsz with letterbox padding
  - BGR→RGB, HWC→CHW, /255.0 normalize
模型推理: ultralytics/nn/autobackend.py :: AutoBackend.forward() (line 180)
  - input: (1, 3, 640, 640) float32
  - output: (1, 84, 8400) float32
后处理: ultralytics/utils/ops.py :: non_max_suppression (line 200)
  - transpose if shape[1] < shape[2]
  - conf threshold + NMS
  - scale boxes back to original image size

Step 2: 构建端到端推理脚本

Agent 基于分析结果，生成 e2e_infer_om.py 脚本，遵循以下原则：

核心原则：最大化复用，最小化重写

#!/usr/bin/env python3
"""End-to-end OM inference script — reuses <repo_name> pre/post-processing."""
import sys
import numpy as np
from ais_bench.infer.interface import InferSession

# ===== 复用原始仓库的预处理/后处理 =====
# Agent 应优先 import 用户仓库中的函数
# 仅当原始代码与 GPU/特定框架强耦合时，才改写为 NumPy 版本
sys.path.insert(0, '/path/to/repo')
# from <repo>.preprocess import preprocess_fn   # 优先复用
# from <repo>.postprocess import postprocess_fn  # 优先复用

def main():
    # 1. 加载输入数据（使用原始仓库的方式）
    # img = load_image(input_path)

    # 2. 预处理（复用原始仓库逻辑）
    # input_tensor = preprocess_fn(img)

    # 3. OM 推理（替换原始模型推理）
    session = InferSession(device_id=0, model_path="model.om")
    outputs = session.infer([input_tensor], mode='static')

    # 4. 后处理（复用原始仓库逻辑）
    # results = postprocess_fn(outputs, original_shape=img.shape)

    # 5. 输出业务结果
    # visualize(img, results, save_path="result.jpg")

if __name__ == "__main__":
    main()

Agent 生成脚本时的决策树：

原始仓库的预处理/后处理函数能否直接 import？
├── YES → 直接 import 并调用（首选）
├── 需要少量修改（如 GPU→CPU）→ 复制函数并修改 tensor → numpy
└── 与框架深度耦合 → 基于原始逻辑用 numpy/opencv 重写，保留注释标注来源

Step 3: 验证端到端结果

Agent 必须验证端到端推理脚本的输出与原始推理流程的输出一致：

# 1. 使用原始仓库运行推理，保存结果
python3 original_infer.py --input test.jpg --save-result original_result.json

# 2. 使用 e2e_infer_om.py 运行推理，保存结果
python3 e2e_infer_om.py --input test.jpg --save-result om_result.json

# 3. 对比业务结果（不是张量对比，是最终输出对比）
# 检测任务：对比 bounding box 坐标、类别、置信度
# 分类任务：对比 top-K 类别和概率
# 分割任务：对比 mask IoU

验证通过标准：

任务类型	验证指标	通过阈值
检测	box坐标差 / 类别一致 / 检出数一致	坐标差 < 1px, 类别100%一致
分类	Top-1一致 / 概率差	Top-1一致, 概率差 < 0.01
分割	mask IoU	> 0.99
姿态	关键点坐标差	< 2px

Step 4: 性能基准

# 端到端延迟（含预处理+推理+后处理）
python3 e2e_infer_om.py --input test.jpg --benchmark --warmup 5 --loops 100

Agent 应报告：

=== End-to-End Performance ===
Preprocess:  X.XX ms
OM Inference: X.XX ms
Postprocess: X.XX ms
Total E2E:   X.XX ms (X.X FPS)

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Workflow 5: 精度与推理验证

本 Workflow 包含两个验证层面：原始张量级精度对比（ONNX vs OM）和 OM 模型推理冒烟测试。

5.1 OM 推理冒烟测试

转换完成后，使用 infer_om.py 配合 ais_bench 快速验证 OM 模型可正常推理：

# 仅打印模型信息
python3 scripts/infer_om.py --model model.om --info

# 使用随机输入推理（shape 从模型元数据获取）
python3 scripts/infer_om.py --model model.om

# 使用实际输入数据推理
python3 scripts/infer_om.py --model model.om --input test.npy --output result.npy

# 性能基准测试（预热 + 多次迭代）
python3 scripts/infer_om.py --model model.om --warmup 5 --loop 100

Python API（快速参考）：

from ais_bench.infer.interface import InferSession
import numpy as np

session = InferSession(device_id=0, model_path="model.om")
input_data = np.random.randn(*session.get_inputs()[0].shape).astype(np.float32)
outputs = session.infer([input_data], mode='static')
for i, out in enumerate(outputs):
    print(f"Output[{i}]: shape={out.shape}, dtype={out.dtype}")
session.free_resource()

详细的 ais_bench API 用法和参数说明见 INFERENCE.md。

5.2 ONNX vs OM 精度对比

通过比较 ONNX（CPU）与 OM（NPU）的推理输出，验证转换精度：

# 使用默认容差对比
python3 scripts/compare_precision.py \
    --onnx model.onnx --om model.om --input test.npy

# 自定义容差
python3 scripts/compare_precision.py \
    --onnx model.onnx --om model.om --input test.npy \
    --atol 1e-3 --rtol 1e-2

# 保存对比报告为 JSON
python3 scripts/compare_precision.py \
    --onnx model.onnx --om model.om --input test.npy \
    --output precision_report.json

# 保存差异数组用于分析
python3 scripts/compare_precision.py \
    --onnx model.onnx --om model.om --input test.npy \
    --save-diff diff_output/

指标说明：

指标	说明	良好值
cosine_similarity	1.0 = 完全一致	> 0.99
max_abs_diff	最大绝对误差	< 1e-3 (FP32)
mean_abs_diff	平均绝对误差	< 1e-5 (FP32)
outlier_ratio	超出容差的元素占比	< 1%
is_close	基于 atol/rtol 的通过/失败判定	True

结果解读：

• cosine_sim > 0.999, outlier_ratio < 0.1%：转换质量优秀
• cosine_sim > 0.99, outlier_ratio < 1%：良好，适用于大多数场景
• cosine_sim < 0.99：需排查——尝试在 ATC 转换中使用 --precision_mode=force_fp32

注意： 对于 end2end 模型（如 YOLOv10 输出 (1,300,6)），原始张量对比可能显示较低的 cosine_similarity， 因为低置信度占位槽的值在 CPU 和 NPU 间存在差异。此时应以 Workflow 4 Step 3 的业务结果对比为准。

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Workflow 6: 端到端可复现 README 生成

在完成 Workflow 1–5 的全部步骤后，Agent 必须生成一份用户可直接跟随复现的 README 文档。 这是 Skill 执行的最后一步，不可跳过。

生成的 README 面向没有参与当前会话的用户，他们只需照着文档从头到尾执行，即可复现整个模型转换与推理流程。

必须包含的章节

环境信息 → 模型简介 → Quick Start → 详细步骤（环境准备、获取模型、导出 ONNX、ATC 转换、端到端推理）→ 关键挑战与解决方案 → 文件结构 → 已知限制

文档质量要求

要求	说明
可复制粘贴	所有命令必须是完整的、可直接执行的，不能有 ... 省略或 <placeholder>
有预期输出	关键步骤需附上预期输出示例
记录踩坑	每个报错和绕行方案都要写入「关键挑战」章节
版本钉死	所有 pip install 必须带版本号
自包含	README + 同目录的脚本/配置文件 = 完整可复现

完整 README 模板及示例见：references/EXAMPLE_README.md

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常见问题排查

详见 FAQ.md，涵盖 Python 版本、NumPy 兼容性、opset 版本、算子缺失等常见问题的完整排查决策树。

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资源索引

scripts/

导出 & 转换：

• export_onnx.py - 通用 PyTorch → ONNX 导出工具
• get_onnx_info.py - 查看 ONNX 模型输入输出信息
• setup_env.sh - 自动配置 CANN 环境
• check_env_enhanced.sh - 全面环境兼容性检查

推理 & 测试：

• infer_om.py - 通用 OM 模型推理（基于 ais_bench）
• compare_precision.py - ONNX vs OM 精度对比

references/

• PARAMETERS.md - ATC 完整参数参考
• INFERENCE.md - ais_bench 推理指南
• AIPP_CONFIG.md - AIPP 预处理配置
• CANN_VERSIONS.md - 各版本配置指引
• FAQ.md - 常见问题与排查
• EXAMPLE_README.md - README 生成模板