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license: apache-2.0
library_name: openvino
tags:
- realesrgan
- super-resolution
- openvino
- nncf
- int4
- quantization
- image-to-image
pipeline_tag: image-to-image
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# Real-ESRGAN → OpenVINO INT4
把 [Real-ESRGAN](https://github.com/xinntao/Real-ESRGAN) 的 `RealESRGAN_x4plus`
（RRDBNet，23 個 RRDB block，16.7 M 參數）轉成 **OpenVINO IR**，並用 NNCF 做成
**INT4 / INT8 / FP16** 多種精度版本。所有模型都是純 OpenVINO 推論，
**執行時不需要 PyTorch**，只要 `openvino + opencv + numpy`（首次使用會自動從本 repo 下載權重）。
| 模型 key | 檔案 | 精度 | 大小 (xml+bin) | 說明 |
|---|---|---|---|---|
| `int4` | `models/realesrgan_x4plus_int4_w4a16.*` | **W4A16**（權重 `u4` per-channel asym，activation FP16） | **11.0 MB** | 純 4-bit，351 個 conv 全部 4-bit，體積最小 |
| `int4-mixed` | `models/realesrgan_x4plus_int4_mixed_w4a16.*` | W4/W8 混合 | 15.2 MB | 約一半權重 4-bit、最敏感的一批保留 INT8，畫質明顯較好 |
| `int4-w4a8` | `models/realesrgan_x4plus_int4_w4a8.*` | **W4A8**（權重 4-bit、activation INT8） | 11.8 MB | 純 4-bit 權重 + INT8 計算路徑 |
| `int8` | `models/realesrgan_x4plus_int8_w8a8.*` | **W8A8** | 19.5 MB | CPU 上**最快**，畫質/速度最佳平衡點 |
| `fp16` | `models/realesrgan_x4plus_fp16.*` | FP16 | 35.1 MB | 幾乎無損（對 FP32 約 48 dB），當作 reference 基準 |
| `fp32` | 用 `export_openvino_int4.py` 產生 | FP32 | 66.8 MB | 未壓縮，僅供對照/量測 PSNR 用 |
> 原始 PyTorch 權重檔：`RealESRGAN_x4plus.pth`（67 MB，來自 Real-ESRGAN v0.1.0 release），
> checkpoint 內的 key 是 `params_ema`。本 repo 的轉換管線已驗證 **與 BasicSR `RRDBNet` 逐 bit 相同**
> （`max|diff| = 0.0`）。
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## 1. 實測結果
測試機：Intel Xeon Platinum 8559C（Emerald Rapids，16 vCPU，含 AMX-INT8 / AVX512-VNNI / AVX512-FP16）、
OpenVINO 2026.4.1、tile=128、tile_pad=16。
**畫質**（3 張 `inputs/` 測試圖，PSNR / SSIM 對 `fp16` 版本；`fp16` 與 PyTorch FP32 差異 < 0.3 dB）：
| 模型 | 大小 | PSNR ↑ | SSIM ↑ | PSNR vs. 原圖 ↑（bicubic LR 輸入） |
|---|---|---|---|---|
| `fp16` | 35.1 MB | 基準 | 1.0000 | 18.90 dB |
| `int8` (W8A8) | 19.5 MB | **29.62 dB** | **0.927** | **19.25 dB** |
| `int4-mixed` | 15.2 MB | 24.73 dB | 0.897 | 17.77 dB |
| `int4` (W4A16) | 11.0 MB | 18.41 dB | 0.679 | 16.83 dB |
| `int4-w4a8` | 11.8 MB | 18.72 dB | 0.618 | 16.95 dB |
**速度**（合成 512×256 輸入、tile=128、取 3 次最佳）：
| 模型 | 秒 / 張 | 輸入 MPix/s | 備註 |
|---|---|---|---|
| `int8` (W8A8) | **1.30 s** | **0.10** | AMX/VNNI INT8 路徑，比 FP32 快約 1.9× |
| `fp16` | 2.48 s | 0.05 | |
| `int4-mixed` | 2.28 s | 0.06 | |
| `int4` (W4A16) | 2.32 s | 0.06 | |
| `int4-w4a8` | 2.49 s | 0.05 | INT8 quantize/dequantize 節點反而稍慢 |
### 為什麼 INT4 沒有比較快？
OpenVINO CPU plugin 執行 `u4` 權重時會在 runtime **解壓回 FP32/FP16** 再做卷積，
所以 4-bit 的收益是 **模型體積 / 記憶體（4×）而不是速度**；要速度請用 `int8`（W8A8）。
4-bit 權重大多數時候適合「記憶體受限 / 想把模型塞進邊緣裝置 / 減少下載量」的場景。
### 為什麼 INT4 畫質掉得比較多？
Real-ESRGAN 是純卷積的深層殘差網路（23 個 RRDB，每層輸出 `x*0.2 + conv(x)`），
誤差會沿 351 層累積。4-bit 每層權重 SQNR 只有 ~17 dB，累積後 PSNR 掉到 ~18 dB。
因此本 repo 同時提供：
* `int4-mixed`：由 NNCF 敏感度分析挑出「最不能壓」的層保留 INT8，其餘 4-bit → **幾乎無損的畫質**（SSIM 0.90+），大小只多 38%。
* `int8`：想要又快又準就用這個。
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## 1.5 效果對比（同一張圖：原始 PyTorch vs 各個 OpenVINO 版本）
測試照片是 NASA 肯尼迪太空中心的**公有領域**白頭海雕照片
（[KSC-20230425-PH-JBS02_0003](https://images.nasa.gov/details/KSC-20230425-PH-JBS02_0003)），
裁切 1024×768 當 Ground Truth，bicubic 降 4 倍成 256×192 餵進模型，
所有模型都用 tile=128 推論成 768×1024。
細節並排比較（左上 bicubic、右上原始 PyTorch FP32、中上 FP16、左下 INT8、下中 INT4 混合、右下純 INT4）：
| 模型 | 大小 | PSNR vs PyTorch FP32 ↑ | SSIM ↑ | PSNR vs 原圖 ↑ | 推論時間 |
|---|---|---|---|---|---|
| `pytorch_fp32`（原始 PyTorch，基準） | 67.0 MB | 基準 | 1.0000 | 20.12 dB | 4.46 s |
| bicubic x4（對照） | – | 22.54 dB | 0.7049 | **21.70 dB** | – |
| [`openvino_fp16.jpg`](samples/eagle_4x/openvino_fp16.jpg) | 35.1 MB | **48.38 dB** | **0.9981** | 20.14 dB | 0.60 s |
| [`openvino_int8_w8a8.jpg`](samples/eagle_4x/openvino_int8_w8a8.jpg) | 19.5 MB | 27.76 dB | 0.8675 | 20.39 dB | **0.39 s** |
| [`openvino_int4_mixed_w4a16.jpg`](samples/eagle_4x/openvino_int4_mixed_w4a16.jpg) | 15.2 MB | 22.84 dB | 0.8160 | 18.68 dB | 0.61 s |
| [`openvino_int4_w4a16.jpg`](samples/eagle_4x/openvino_int4_w4a16.jpg) | 11.0 MB | 18.02 dB | 0.4879 | 17.19 dB | 0.60 s |
| [`openvino_int4_w4a8.jpg`](samples/eagle_4x/openvino_int4_w4a8.jpg) | 11.8 MB | 17.89 dB | 0.4624 | 17.09 dB | 0.69 s |
重現方式、完整檔案清單與說明見 **[`samples/eagle_4x/README.md`](samples/eagle_4x/README.md)**，
照片授權為 NASA 公有領域（Public Domain）。
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## 1.6 影片對比（放大前 vs 各個量化版本，repo 內可直接播放）
除了靜態圖，repo 也放了一段**公有領域**的 NASA 影片（ISS 氣輝夜景，`GSFC_20181022_ICON_m12902_Airglow`），
用**原始 PyTorch 模型**與**所有 OpenVINO 版本**做 640×360 → 2560×1440 的 4 倍放大，逐影格記錄時間與畫質。
### ① 放大前（模型輸入，640×360，1.5 s / 45 影格）
### ② 並排比較影片（bicubic / PyTorch FP32 / FP16 / INT8 / INT4 mixed / INT4，含標籤）
若播放器不支援 HTML video，可直接看這支 GIF：
### ③ 各個模型的 4x 放大影片（2560×1440）
**原始 PyTorch FP32（放大後）**
**OpenVINO FP16**
**OpenVINO INT8（W8A8）**
**OpenVINO INT4 混合精度（W4/W8）**
**OpenVINO 純 INT4（W4A16）**
### ④ 城市燈光帶 1:1 放大比較（最能看出量化差別）
### ⑤ 時間與畫質紀錄
| 模型 | 大小 | 45 影格總時間 | ms/影格 | 張/秒 | vs PyTorch PSNR ↑ | SSIM ↑ | 加速比 ↑ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| `pytorch_fp32`（原始） | 67.0 MB | 663.5 s | 14745 | 0.07 | 基準 | 1.0000 | 1.0× |
| `openvino_fp16` | 35.1 MB | 211.5 s | 4700 | 0.21 | **45.41 dB** | **0.9927** | 3.1× |
| `openvino_int8_w8a8` | 19.5 MB | **124.8 s** | **2773** | **0.36** | 36.90 dB | 0.9284 | **5.3×** |
| `openvino_int4_mixed_w4a16` | 15.2 MB | 214.6 s | 4769 | 0.21 | 31.31 dB | 0.9344 | 3.1× |
| `openvino_int4_w4a16` | 11.0 MB | 246.8 s | 5485 | 0.18 | 25.40 dB | 0.7894 | 2.7× |
直接下載：`samples/video_airglow/00_source_lr.mp4`、`10_pytorch_fp32_4x.mp4`、`11_openvino_fp16_4x.mp4`、
`12_openvino_int8_w8a8_4x.mp4`、`13_openvino_int4_mixed_4x.mp4`、`14_openvino_int4_4x.mp4`、
`20_side_by_side_1920x780.mp4`（完整說明見 [`samples/video_airglow/README.md`](samples/video_airglow/README.md)）
重點結論：**INT8 (W8A8) 在 CPU 上比 PyTorch FP32 快 5.3×** 且畫質僅 36.9 dB / SSIM 0.93；
**INT4 在 CPU 上不會更快**（CPU plugin 執行時會把 4-bit 權重解壓回 FP32/FP16），
它的優勢是模型只有 11 MB；若要在 4-bit 尺寸下兼顧畫質，請用 `int4-mixed`。
### Intel GPU（NPU / AUTO 同理）可以執行嗎？
可以。這些都是**標準 OpenVINO IR**（動態 shape），不綁定 plugin，`-d GPU` / `-d NPU` / `-d AUTO` / `-d HETERO` 都能跑：
```bash
python realesrgan_ov.py -i input.jpg -d GPU -m int8 -t 128 # Intel GPU 上推薦 INT8
python realesrgan_ov.py -i input.jpg -d AUTO -m fp16 # 自動挑最快裝置
```
| 模型 | Intel GPU 支援 | 說明 |
|---|---|---|
| `fp16` | ✅ | Xe / Arc 上 FP16 有硬體加速；更舊的 UHD/Iris 會以 f32 執行 |
| `int8` (W8A8) | ✅ **GPU 上最快** | GPU plugin 對 INT8 卷積有最佳路徑（Xe-LP+ / Arc / Alchemist） |
| `int4-mixed` / `int4` / `int4-w4a8` | ⚠️ 可執行、通常不快 | GPU plugin 支援 4-bit 權重，但**卷積**沒有 4-bit 加速路徑，會在 runtime 解壓成 FP16/FP32；收益只有 VRAM。純 4-bit 的模型還多了 dequantize 節點，GPU 上反而變慢 |
| `fp32` | ✅ | 相容但最慢，僅供對照 |
若要給 Intel GPU 專用的量化模型（INT8 的 activation 範圍與 SmoothQuant 會依 GPU 特性不同而調整）：
```bash
python export_openvino_int4.py --weights RealESRGAN_x4plus.pth --target-device gpu \
--a8-bits 8 --a8-name int8_w8a8_gpu --no-w4a16
```
備註：本 repo 的模型是在**沒有 GPU 的機器**上驗證的（`available_devices = ['CPU']`），
以上 Intel GPU 的說明是依 OpenVINO plugin 的能力整理，不是本機實測數據。
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## 2. 安裝
```bash
pip install openvino opencv-python numpy huggingface_hub
# 只有要「自己重新轉換模型」才需要：
pip install torch onnx onnxscript nncf
```
`realesrgan_ov.py` 會在第一次執行時自動從本 repo 下載 `*.xml` / `*.bin`，
並快取到 `~/.cache/realesrgan_openvino`（可用環境變數 `REALESRGAN_OV_CACHE` 改位置）。
也可以手動下載後用 `--model-path` / `-m /path/to/model.xml` 指定本機檔案。
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## 3. 快速開始：單一 py 檔
下載兩個檔案即可（`realesrgan_ov.py` + `benchmark_models.py`），模型會自動下載。
```python
# quick_start.py
import cv2
from realesrgan_ov import RealESRGAN
upscaler = RealESRGAN(model='int4') # int4 | int4-mixed | int8 | fp16 | 自訂 .xml 路徑
img = cv2.imread('input.jpg') # BGR uint8
sr, scale = upscaler.enhance(img, tile=128) # 4 倍超解析（記憶體吃太多時用 tile 分塊）
cv2.imwrite('output.png', sr)
print('output:', sr.shape, 'scale:', scale)
```
`inputs/` 內附 3 張測試圖（來自 Real-ESRGAN 官方 inputs），`samples/` 內附 1 張公有領域照片與
1 段公有領域影片（都已用所有模型跑過），可直接試跑：
```bash
python realesrgan_ov.py -i inputs/00003.png -o results/ -m int4-mixed -t 128
```
```bash
# 命令列
python realesrgan_ov.py -i input.jpg # 4x 超解析，輸出 results/
python realesrgan_ov.py -i ./photos -o out/ -m int8 # 整個資料夾
python realesrgan_ov.py -i clip.mp4 -o clip_4x.mp4 # 影片逐影格
python realesrgan_ov.py -i big.png -t 64 --tile-pad 16 # 大圖分塊（256→1024 這類）
python realesrgan_ov.py -i input.jpg --outscale 2 # 只放大 2 倍（先 4x 再 downscale）
python realesrgan_ov.py -d GPU -m int8 -i input.jpg # 用 GPU / NPU / AUTO
python realesrgan_ov.py --benchmark --images input.jpg # 只測效能
python benchmark_models.py --images a.png b.png # 比較所有版本的畫質/速度
```
支援 PNG/BMP/JPG/WEBP（含 alpha 通道，alpha 會用 bicubic 放大）、資料夾遞迴、影片（mp4/avi/mov/mkv）。
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## 4. Python API
```python
from realesrgan_ov import RealESRGAN
up = RealESRGAN(
model='int4', # int4 / int4-mixed / int4-w4a8 / int8 / fp16 / '/path/model.xml'
device='CPU', # CPU / GPU / NPU / AUTO
precision='auto', # auto（預設）/ f32 / f16 / bf16
num_threads=8, # 0 = 使用全部核心
)
sr, scale = up.enhance(img, tile=128, tile_pad=16, pre_pad=0, outscale=4)
sr_bgra = up.enhance_alpha(bgra_img, tile=128) # 自動處理 alpha
```
`precision` 說明（**很重要**）：新版 OpenVINO CPU 對 FP32 graph 的預設
`INFERENCE_PRECISION_HINT` 是 **bf16**，會讓這個網路的 PSNR 掉約 20 dB。
`realesrgan_ov.py` 的 `auto` 會對 FP32/FP16/INT4(FP16 activation) 的模型自動釘成 `f32`，
INT8 graph 不受影響。若你自己用 `ov.Core().compile_model()`，請記得傳
`{'INFERENCE_PRECISION_HINT': 'f32'}`。
---
## 5. 從 PyTorch 權重重新轉換成 OpenVINO INT4
```bash
python export_openvino_int4.py \
--weights RealESRGAN_x4plus.pth \
--data-dir inputs \ # 校準用的低解析度圖
--out-dir models \
--calib-tile 128 --calib-samples 6 \
--weight-ratio 1.0 \ # 1.0 = 全部 4-bit；0.5 = 一半 4-bit、其餘 INT8
--a8-bits 8 --a8-name int8_w8a8
```
流程：`RRDBNet(重建) → strict=True 載入 checkpoint → ONNX(opset17, 動態 H/W) → OpenVINO FP32/FP16 → NNCF 量化 → IR`
這個管線裡有兩個**必須**處理的地方（否則 INT4 會被靜默降級成 INT8）：
1. `nncf.compress_weights(mode='int4_*')` 預設只把 **MatMul** 壓成 4-bit，卷積一律落到 INT8 backup
→ `enable_int4_for_convolutions()` 擴充 `_get_ratio_defining_params`，讓 Conv 也吃 4-bit。
2. NNCF 的 CPU hardware config 只允許 8/16-bit 權重 → `enable_int4_weights_in_cpu_hw_config()`
把 `q4_w` 加進 Convolution 的 qspace，產生 `u4` 常數（OpenVINO CPU plugin 可執行）。
3. `openvino.convert_model()` 預設會把權重壓成 FP16（本模型會掉到 ~27 dB）→ `convert_onnx()`
以 `compress_to_fp16=False` 轉換，得到真正的 FP32 graph。
驗證方式（本 repo 產出的模型都跑過）：
```bash
python - <<'PY'
from openvino import Core
m = Core().read_model('models/realesrgan_x4plus_int4_w4a16.xml')
print(sorted({str(n.get_element_type()) for n in m.get_ops() if n.get_type_name() == 'Constant'}))
PY
# 應該看到 ''，代表權重真的是 4-bit
```
`export_openvino_int4.py` 也能轉換其他 Real-ESRGAN 權重，只要架構相同（`--stem` 改檔名）：
* `RealESRGAN_x4plus.pth`（本 repo 使用，num_feat=64 / num_block=23 / num_grow_ch=32）
* `RealESRNet_x4plus.pth`、`RealESRGAN_x4plus_anime_6B.pth`、`RealESRGAN_x2plus.pth`（需在
`rrdbnet_arch.py` 對應調整 `scale` / `num_block` / `num_feat`）
---
## 6. 疑難排解
| 症狀 | 原因 / 解決 |
|---|---|
| 輸出整張有雜訊、幾乎是亂圖 | 用了 `int4`：Real-ESRGAN 對 4-bit 非常敏感，請改用 `int4-mixed` 或 `int8` |
| 輸出整體偏色 / 邊緣有雜訊 | 沒有指定 `INFERENCE_PRECISION_HINT='f32'`，CPU 預設跑 bf16。用 `precision='f32'` 或 `-m int8` |
| 大圖 OOM | 用 `-t 128`（或 64）分塊，`--tile-pad 16`；不要 `-t 0` |
| 分塊後有接縫 | `--tile-pad` 調大到 20~32 |
| 下載權重失敗 | `export HF_TOKEN=hf_xxx`（私有 repo）或先手動下載 `models/*.xml *.bin` 後用 `-m` 指定 |
| 匯出時 `KeyError: 'input'` | LWC 傳入 dataset 的已知問題，script 預設不傳（`--lwc-dataset` 可開啟 AWQ / scale-estimation） |
| 想改輸出的放大倍率 | `--outscale 2`（>4 會再 cubic 放大） |
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## 7. 出處與授權
* 程式碼/權重出處：[xinntao/Real-ESRGAN](https://github.com/xinntao/Real-ESRGAN)、[XPixelGroup/BasicSR](https://github.com/XPixelGroup/BasicSR)（Apache-2.0）
* `rrdbnet_arch.py` 為 BasicSR `RRDBNet` 的獨立重寫（不需安裝 BasicSR），參數名稱與官方 checkpoint 完全一致
* 量化：[OpenVINO NNCF](https://github.com/openvinotoolkit/nncf)
* 本 repo 的推論程式、轉換腳本與本說明文檔為本專案新增。
* 樣品照片：NASA Kennedy Space Center（公有領域），見 `samples/eagle_4x/README.md` 的來源與授權說明
* 樣品影片：NASA/Goddard ICON 任務 ISS 氣輝畫面（公有領域），見 `samples/video_airglow/README.md`
* License：Apache-2.0（見 `LICENSE`）。