UE5でニューラルネットを使ういくつかの方法
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April 28, 24
スライド概要
Unreal Engine Meetup in Osaka Vol.02での発表資料です。
Unreal Engine 5でニューラルネットによる推論をGPUを使って高速に実行したい場合、公式プラグインであるNNEを使う、 ONNX Runtime等を自前のプラグインとして組み込む、マテリアルの中のカスタムHLSLコードでゴリゴリと実装するといった方法があります。これらを実際にやってみての所感や実装の勘所などを紹介します。
動画はこちら：https://youtu.be/-yOo2qGfyWE?si=AvauWbvRbSYaS1Dy
地域社会の安心に貢献し、暮らしやすい世の中をつくるために、主な事業として空き家専門の工事会社・不動産屋として空き家再生・活用に取り組んでいます。また、演劇教室「劇ゼミ」の運営、VR・AI技術開発も行っています。
関連スライド
各ページのテキスト
UE5でニューラルネットを 使ういくつかの方法 NNE、自作プラグイン、マテリアル 2024/04/28 Unreal Engine Meetup in Osaka Vol.02 株式会社空き家総合研究所
スピーカー • 麻場 健司(𝕏：@KenjiASABA) • 株式会社空き家総合研究所 • 社員5人 • 全員、関西の学生劇団出身 • 主な事業は３つ • 空き家再生 • 演劇教室 • VR・AI技術開発
UE × AI な製品を作っています • MocapForAll (2021) • 複数ウェブカメラで モーションキャプチャ • UE4.26 × 姿勢推定 https://vrlab.akiyasouken.co.jp/video/mocapforall.mp4
UE × AI な製品を作っています • MocapForStreamer (2022) • 2台のウェブカメラで 上半身モーキャプ • UE4.26 × 姿勢推定 https://vrlab.akiyasouken.co.jp/video/mocapforstreamer.mp4
UE × AI な製品を作っています • WhisperRealtime (2023) • 音声→テキスト • UE4.26 × 音声認識 https://vrlab.akiyasouken.co.jp/video/whisperrealtime_ja.mp4
UE × AI な製品を作っています • 3D Gaussians Plugin (2023) • 3D Gaussian Splatting 描画プラグイン • UE5.1 × 3DGS https://vrlab.akiyasouken.co.jp/video/3dgaussian.mp4
UE × AI な技術支援も行っています • KSIN • 株式会社ユニキャスト様、 株式会社デジタル・フロンティア様 • アバター接客システム • UE4.27 × 姿勢推定 https://www.youtube.com/watch?v=W2fn3rl95QI
UE × AI な技術支援も行っています • Vista Splat Pro • バーチャル・ライン・スタジオ株式会社様、 株式会社デジタル・フロンティア様 との共同開発 • UE5.1 × 3DGS https://www.youtube.com/watch?v=PWtyqMOHOyg
UE × AI な技術支援も行っています • UEとAIで何かしたい • 知見がほしい、手が足りない → ご相談ください！
https://www.unrealengine.com/ja/blog/unreal-engine-5-4-is-now-available
機械学習 ニューラルネット？ MLモデル？ • 計算の手続きを定めたもの(≒関数) • UEのBPやマテリアルのように • 演算(処理)を表すノード • 定数 • 入出力 ノード 定数 入出力 を組み合わせて表すのが一般的 実行順
機械学習 ニューラルネット？ MLモデル？ • 計算の手続きを定めたもの(≒関数) • UEのBPやマテリアルのように • 演算(処理)を表すノード • 定数 • 入出力 ノード 定数 入出力 を組み合わせて表すのが一般的 • 定数は「重み」とも呼ばれる • 同じ演算でもこれが違えば結果が違う • 所望の結果を返す関数となるように定数を 求める過程が「学習」 • 学習後、所望の結果を返す関数として単に 使うことを「推論」と呼ぶ 実行順
今日お話しすること ニューラルネットと呼ばれるちょっと特殊な形式で定義された関数を UEに取り込んで実行するにはどうすればいいのか、というお話 具体的には • UE5でのニューラルネットによる推論の実行方法３つ • 公式NNEプラグイン • 自作プラグイン • マテリアル内のカスタムHLSLノード 今日お話ししないこと • ニューラルネットの学習
NNEプラグイン 私がコードを読んで推測した内容を多分に含みます
NNE公式ドキュメント • Neural Network Engine Overview - 5.4 • https://dev.epicgames.com/documentation/en-us/unreal-engine/neural-network-engine-overviewin-unreal-engine • 情報は整備中の様子 • NNE - Quick Start Guide - 5.3 • https://dev.epicgames.com/community/learning/tutorials/34q9/unreal-engine-nne-quick-startguide-5-3 • UE5.3で動くコードがあるが、UE5.4では動かない → これの UE5.4版 ＆ GPU版 を紹介します
：実験的機能 β ：ベータ機能 NNEの構成 NNE エンジンモジュール プラグイン NNERuntimeBasicCpu NNERuntimeIREE NNERuntimeORT IREE ONNX Runtime β NNERuntimeRDG ランタイム DirectML (Winのみ) UE独自実装 (ISPC) ハードウェア CPU UE独自実装 (HLSL) GPU
β ：ベータ機能 NNEの構成(抜粋) NNE エンジンモジュール NNERuntimeORT プラグイン β ONNX Runtime ランタイム DirectML (Winのみ) ハードウェア CPU GPU
ONNX Runtime? ONNX形式のニューラルネットを実行するライブラリ 各 種 機 械 学 習 フ レ ー ム ワ ー ク エクスポート 実行 …
β ：ベータ機能 NNEの構成(抜粋・再掲) NNE エンジンモジュール NNERuntimeORT プラグイン β ONNX Runtime ランタイム DirectML (Winのみ) ハードウェア CPU GPU
DirectML？ • 機械学習でよく使われる演算を GPUで効率よく実行するための ライブラリ • DirectX 12対応のGPUで動作する ハードウェアアクセラレータ と呼ばれるものの一つ NVIDIA、AMD等の いずれでもOK
ONNX Runtimeのメリット①： クロスプラットフォーム https://onnxruntime.ai/getting-started ：NNEでサポート
ONNX Runtimeのメリット②： 計算の自動最適化 • 不要な計算ノードの削除 • 計算ノードの結合 • 実際に速くなるかは環境による 最適化 最適化 https://onnxruntime.ai/docs/performance/mobile-performance-tuning.html
：実験的機能 β ：ベータ機能 NNEの構成(再掲) NNE エンジンモジュール プラグイン NNERuntimeBasicCpu NNERuntimeIREE NNERuntimeORT IREE ONNX Runtime β NNERuntimeRDG ランタイム DirectML (Winのみ) UE独自実装 (ISPC) ハードウェア CPU UE独自実装 (HLSL) GPU
NNE使い方 - 全体の流れ • プラグイン有効化 • ONNXモデルインポート • 依存モジュールに追加 • ランタイム取得 • モデルインスタンス生成 • 入力形状のセット • 入出力のバインドと実行 ↑エディタ ↓C++, C# ↑定型作業 ↓モデル個別
NNE使い方1：プラグイン有効化
NNE使い方2：ONNXモデルインポート
NNE使い方3：依存モジュールに追加 ModuleName.build.cs
NNE使い方4：ランタイム取得(1/2)
：実験的機能 β ：ベータ機能 NNEの構成(再掲) NNE エンジンモジュール プラグイン NNERuntimeBasicCpu NNERuntimeIREE NNERuntimeORT IREE ONNX Runtime β NNERuntimeRDG ランタイム DirectML (Winのみ) UE独自実装 (ISPC) ハードウェア CPU UE独自実装 (HLSL) GPU
NNE使い方4：ランタイム取得(2/2)
NNE使い方5：モデルインスタンス生成
複数の配列(テンソル)を入出力する ～～～～～～～～～ 略 ～～～～～～～～～ 可変サイズの入力が可能な場合がある https://netron.app/
NNE使い方6：入力形状のセット 入力形状が可変のモデルの場合 … 入力形状を手動で指定 入力形状をセット
NNE使い方6：入力形状のセット 入力形状が固定のモデルの場合 モデルの入力形状を取得 … モデルの入力形状を指定 入力形状をセット
NNE使い方7：入出力をバインドし実行 入力TArray(の配列) 出力TArrayの配列 FTensorBindingGPU の配列 FTensorBindingGPU の配列 ModelInstance->RunSync
NNE使い方7：入出力をバインドし実行 入出力データを保持するメモリ領域を確保 入力TArray(の配列) 出力TArrayの配列 FTensorBindingGPU の配列 FTensorBindingGPU の配列 ModelInstance->RunSync
NNE使い方7：入出力をバインドし実行 入力TArray(の配列) 出力TArrayの配列 NNE入出力用の統一的な形式にする FTensorBindingGPU の配列 FTensorBindingGPU の配列 ModelInstance->RunSync データへのポインタ とサイズ
NNE使い方7：入出力をバインドし実行 入力TArray(の配列) 出力TArrayの配列 FTensorBindingGPU の配列 FTensorBindingGPU の配列 ModelInstance->RunSync
NNE使い方7：入出力をバインドし実行 入力TArray(の配列) 出力TArrayの配列 FTensorBindingGPU の配列 FTensorBindingGPU の配列 ModelInstance->RunSync この中でCPU⇔GPUのデータ転送も実行
CPU⇔GPUのデータ転送？ 入力TArrayの配列 出力TArrayの配列 入力バッファ 出力バッファ 入力 データ CPU(ホスト)メモリ GPU(デバイス)メモリ CPU GPU
CPU⇔GPUのデータ転送？ コピー 入力TArrayの配列 出力TArrayの配列 入力 データ 入力バッファ 出力バッファ 入力 データ CPU(ホスト)メモリ GPU(デバイス)メモリ CPU GPU
CPU⇔GPUのデータ転送？ 入力TArrayの配列 出力TArrayの配列 入力 データ CPU(ホスト)メモリ 入力バッファ 出力バッファ 入力 データ 出力 データ GPU(デバイス)メモリ 演算 CPU GPU
CPU⇔GPUのデータ転送？ コピー 入力TArrayの配列 出力TArrayの配列 入力バッファ 出力バッファ 入力 データ 出力 データ 入力 データ 出力 データ CPU(ホスト)メモリ GPU(デバイス)メモリ CPU GPU
：実験的機能 β ：ベータ機能 NNEの構成(再掲) NNE エンジンモジュール プラグイン NNERuntimeBasicCpu NNERuntimeIREE NNERuntimeORT IREE ONNX Runtime β NNERuntimeRDG ランタイム DirectML (Winのみ) UE独自実装 (ISPC) ハードウェア CPU UE独自実装 (HLSL) GPU
NNERuntimeRDG • RDG？ • Render Dependency Graph • レンダリング依存関係グラフ • UEの描画機能を呼び出すAPI • GPU上のメモリを直接読み書き してAIを実行できる • CPU⇔GPU間のデータ転送が不要 な画像処理等に向いている • NeuralRenderingプラグインから 利用されている 入力バッファ 出力バッファ 入力 データ 出力 データ GPU(デバイス)メモリ 演算 GPU
NeuralRenderingプラグイン ツイート： https://twitter.com/historia_Inc/status/ 1777993243613155652 記事： https://historia.co.jp/archives/40788/
NNERuntimeRDGのサンプル • NeuralRenderingの処理 • ApplyNeuralNetworks_RenderingThread • 入出力バッファに対する前処理・後処理 • 下記の「Execute」を実行 • UNeuralPostProcessModelInstance::Execute • 入出力のバインディング • ModelInstanceRDGに対して「EnqueueRDG」を実行 • NNERuntimeORTの「RunSync」に対応
- https://github.com/EpicGames/UnrealEngine/blob/5.4/Engine/Plugins/Experimental/NeuralRendering/Source/NeuralPostProcessing/Private/NeuralPostProcessing.cpp#L581
- https://github.com/EpicGames/UnrealEngine/blob/5.4/Engine/Plugins/Experimental/NeuralRendering/Source/NeuralPostProcessing/Private/NeuralPostProcessModelInstance.cpp#L73
AI系の他のプラグインから参照 ：実験的機能 β ：ベータ機能 MLDeformer/NearestNeighborModel MLDeformer/NeuralMorphModel LearningAgent NNE エンジンモジュール プラグイン NNERuntimeBasicCpu NNERuntimeIREE NNERuntimeORT IREE ONNX Runtime β NNERuntimeRDG ランタイム DirectML (Winのみ) UE独自実装 (ISPC) ハードウェア CPU UE独自実装 (HLSL) GPU
：実験的機能 β ：ベータ機能 モバイル・エッジ デバイス向け？ NNE エンジンモジュール プラグイン NNERuntimeBasicCpu NNERuntimeIREE NNERuntimeORT IREE ONNX Runtime β NNERuntimeRDG ランタイム DirectML (Winのみ) UE独自実装 (ISPC) ハードウェア CPU UE独自実装 (HLSL) GPU
：実験的機能 UE5.3でのNNEの構成 NNE プラグイン NNERuntimeORTCpu NNERuntimeORTGpu NNERuntimeRDG ONNX Runtime ONNX Runtime ONNX Runtime ランタイム ハードウェア NVIDIA CUDA CPU DirectML (Winのみ) GPU UE独自実装 (HLSL)
NNE所感 • NNERuntimeORT • ONNX Runtimeのラッパー • 基本的な使い方はUEとORTの公式ドキュメントを読めばOK • 対応するプラットフォームやランタイムは少ないが、今後増えるかも？ • 現状は、Win・Linux・Mac、CPU・DirectML • ONNX Runtimeのビルド済みバイナリを適切に追加すればこれを増やせる • NNERuntimeRDG • UEのRDGバッファを入出力に使う • CPU⇔GPU間のデータ転送をしない画像処理等に適した設計 • UE5.4のNeuralRenderingプラグインから使われている • 今後、他の公式プラグインからも使用される可能性はありそう • 現段階では対応する演算が少ないなど実利用は難しそう？ • 今後に期待！！
自作プラグイン NNEで飽き足らない場合は自分で作ろう
あえて自作プラグインを作る理由 • NNE（またはその前身のNNI）がサポートされていない環境がある • 過去の UE バージョン • 最新の ONNX Runtime バージョン • プラットフォーム • Android、iOS等 • ランタイムライブラリ • TensorRT等 UEバージョンとONNX Runtimeバージョンの関係（若干自信ないです） UE ～4.27 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 NNI - 1.10 1.12 1.12 - - NNE - - - 1.13 1.13 1.14 ※2024/4/22時点で ONNX Runtime最新は v1.17.3
作ったのでマケプレで公開してます 名前がNNEとややこしい… 公開はこちらが先なので勘弁して… 実態はONNX Runtimeの ラッパー
O N N X R u n t i m e UE外のライブラリを組み込むには • Build.csに依存先を書く • Include • Lib • DLL 公式ドキュメントにも説明あり • DLLの遅延ロード処理をモジュールクラスに書く（Windowsの場合） • ライブラリ固有の初期化処理を書く
Build.csの書き方1：Include Pathを使うのに必要 ここからスタート 単に便利なので定義 PublicIncludePaths.Add
Build.csの書き方2：Lib PublicAdditionalLibraries.Add
Build.csの書き方3：DLL RuntimeDependencies.Add
Build.csの書き方4：DLL遅延ロード準備 PublicDelayLoadDLLs.Add
モジュールクラスでDLLロード実行 DLLのパスを取得 DLLロード実行 FPlatformProcess::GetDllHandle
モジュールクラスでDLL後始末 DLLの解放 FPlatformProcess::FreeDllHandle
ONNX Runtime固有の初期化処理(1/2) ONNX Runtimeの初期化を手動でやると宣言 PublicDefinitions.Add("ORT_API_MANUAL_INIT");
ONNX Runtime固有の初期化処理(2/2) ONNX Runtimeを手動で初期化！ Ort::InitApi();
あとはAPIを叩くだけ…！ etc...
自作プラグイン所感 • NNEで届かない所に手が届く • プラットフォーム • ランタイム • 特にUE5.4でCUDAランタイムがなくなったように、ベンダ依存の最適化は公式 はやってくれないかも… • 一方で、NNERuntimeRDGのようにGPU上のデータを直接入出 力するのは大変そう • 結局、自作プラグインとNNERuntimeRDGのどちらの方が高パ フォーマンスになるかは計測しないとわからない
マテリアル カスタムHLSLノードでゴリゴリ実装！
やりたいこと：ニューラルな描画処理 • ニューラルネットを使って色を計算して描画したい • GPUでやりたい → マテリアルの中に処理を書くのが理にかなう • マテリアルの「カスタムノード」は、HLSLで任意の処理が書けるので、 そこにニューラルネットを力業で実装すればいいじゃ～ん！^^
MERF • 写真群から3D再構成するNeRFの高効率版 →再構成済みデータをUEでリアルタイム描画 https://www.youtube.com/watch?v=GjpzMDur7UY
マテリアルの概要
レイに沿って ボリュームテクスチャ を積算 ニューラルネットで 色を計算
レイの始点と向きを取得
RGB A レイに沿って2種類の ボリュームテクスチャを積算 ・色と密度 (RGBA) ・特徴量 (F1F2F3F4) （実際はOccupancyグリッドやTri-planeを 併用して効率化しているが省略）
dxdydz F1F2F3F4 RGB ニューラルネットで ピクセルの色を計算 ニューラルネット の定数（重み） ↓画像としてはこんな感じ
Multi-Layer Perceptron ニューラルネットの中身 ＝ MLP dx dy dz Spherical Harmonics Encoding R G B F1 F2 F3 F4 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 … × 𝒘𝟎 × 𝒘𝟏 × 𝒘𝟐 … sum I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 I11 I12 I13 I14 I15 R G B
入力4次元→出力4次元のレイヤーの場合 O0 O1 O2 O3 I0 I1 I2 I3 float4 output float4x4 weight float4 input O0 w00 w01 w02 w03 I0 O1 O2 O3 = × I1 I2 I3 output = mul(weight, input);
入力4次元→出力8次元のレイヤーの場合 float4 output0 float4x4 weight0 O0 w00 w01 w02 w03 O1 O2 = float4 input × I0 O3 I1 float4 output1 float4x4 weight1 I2 O4 O5 O6 I3 = × O7 output0 = mul(weight0, input); output1 = mul(weight1, input);
入力8次元→出力8次元のレイヤーの場合 float4 output00 float4x4 weight00 float4 input0 float4 output0 O0 O0 O2 O1 O3 O2 O1 O4 float4 output1 O6 O5 O6 O7 output0 = mul(weight00, input0); output1 = mul(weight01, input1); output0 += mul(weight10, input0); output1 += mul(weight11, input1); = × I0 I1 float4 output01 float4x4 weight01 O3 O4 w00 w01 w02 w03 O5 O7 I2 I3 = × float4 output10 float4x4 weight10 float4 input1 O0 O1 O2 = × I4 O3 I5 I6 float4 output11 float4x4 weight11 O4 O5 O6 O7 I7 = ×
実際のコード（抜粋） （参考）MERFの公式実装 https://github.com/google-research/googleresearch/blob/master/merf/webviewer/view dependency.glsl UEのNNERuntimeRDGのHLSLによる実装も参 考になりそう
マテリアルで実装 - 所感 • つらい • デバッグしにくい • 実装例が少ない • よいところ • 大抵の環境で動作する • 描画に関する機能に適している • CPUとのデータ転送なし • 作るのは楽しい • ニューラルネットの理解も深まる
まとめ 「UE5でニューラルネットを使っておもしろいことしたい…！」となったら → まずは NNERuntimeORT を試しましょう • 一番簡単 → 画像処理系のモデルの場合は NNERuntimeRDG に挑戦してもよいかも • まだ Experimental なことには注意 → NNEのプラットフォームやランタイムに不満があるなら自前プラグインを作る • 少し面倒だが自由度は上がる →シンプルなモデルならマテリアルの中でHLSLで実装してもいい • 大変だけど、いろいろな環境で動作する
株式会社空き家総合研究所 空き家再生事業のご案内
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■つまり・・・ 企業理念 空き家を直すと… 暮らしやすい世の中に…
■つまり・・・ 企業理念 空き家を直すと… 暮らしやすい世の中に… ならない
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100万円あれば始められる 空き家再生をワンストップで行う会社による 社会還元を見越した不動産投資サービス
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