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Cómo compilar gráficos en C++

El compilador de gráficos de C++ es una herramienta potente para lo siguiente:

Cómo compilar gráficos complejos
Gráficos de parametrización (p.ej., configuración de un delegado en InferenceCalculator o habilitación o inhabilitación de partes del grafo)
Anulación de la duplicación de gráficos (p.ej., en lugar de grafos dedicados de CPU y GPU en pbtxt, puedes tener un solo código que construye los grafos necesarios y comparte la mayor cantidad posible)
Compatibilidad con entradas y salidas de gráficos opcionales
Cómo personalizar los gráficos por plataforma

Uso básico

Veamos cómo se puede usar el compilador de gráficos de C++ para un gráfico simple:

# Graph inputs.
input_stream: "input_tensors"
input_side_packet: "model"

# Graph outputs.
output_stream: "output_tensors"

node {
  calculator: "InferenceCalculator"
  input_stream: "TENSORS:input_tensors"
  input_side_packet: "MODEL:model"
  output_stream: "TENSORS:output_tensors"
  options: {
    [drishti.InferenceCalculatorOptions.ext] {
      # Requesting GPU delegate.
      delegate { gpu {} }
    }
  }
}

La función para compilar el CalculatorGraphConfig anterior puede verse de la siguiente manera:

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // Graph inputs.
  Stream<std::vector<Tensor>> input_tensors =
      graph.In(0).SetName("input_tensors").Cast<std::vector<Tensor>>();
  SidePacket<TfLiteModelPtr> model =
      graph.SideIn(0).SetName("model").Cast<TfLiteModelPtr>();

  auto& inference_node = graph.AddNode("InferenceCalculator");
  auto& inference_opts =
      inference_node.GetOptions<InferenceCalculatorOptions>();
  // Requesting GPU delegate.
  inference_opts.mutable_delegate()->mutable_gpu();
  input_tensors.ConnectTo(inference_node.In("TENSORS"));
  model.ConnectTo(inference_node.SideIn("MODEL"));
  Stream<std::vector<Tensor>> output_tensors =
      inference_node.Out("TENSORS").Cast<std::vector<Tensor>>();

  // Graph outputs.
  output_tensors.SetName("output_tensors").ConnectTo(graph.Out(0));

  // Get `CalculatorGraphConfig` to pass it into `CalculatorGraph`
  return graph.GetConfig();
}

Resumen breve:

Usa Graph::In/SideIn para obtener entradas de gráficos como Stream/SidePacket
Usa Node::Out/SideOut para obtener resultados de nodo como Stream/SidePacket
Usa Stream/SidePacket::ConnectTo para conectar transmisiones y paquetes laterales a entradas de nodo (Node::In/SideIn) y salidas de grafos (Graph::Out/SideOut).
- Hay un operador de "acceso directo" >> que puedes usar en lugar de la función ConnectTo (p.ej., x >> node.In("IN")).
Stream/SidePacket::Cast se usa para transmitir una transmisión o un paquete lateral de AnyType (p. ej., Stream<AnyType> in = graph.In(0);) a un tipo particular.
- Usar tipos reales en lugar de AnyType te ayuda a mejorar las capacidades del compilador de gráficos y mejorar la legibilidad de tus gráficos.

Uso avanzado

Funciones de utilidad

Extraigamos el código de construcción de inferencia en una función de utilidad dedicada para facilitar la legibilidad y reutilizar el código:

// Updates graph to run inference.
Stream<std::vector<Tensor>> RunInference(
    Stream<std::vector<Tensor>> tensors, SidePacket<TfLiteModelPtr> model,
    const InferenceCalculatorOptions::Delegate& delegate, Graph& graph) {
  auto& inference_node = graph.AddNode("InferenceCalculator");
  auto& inference_opts =
      inference_node.GetOptions<InferenceCalculatorOptions>();
  *inference_opts.mutable_delegate() = delegate;
  tensors.ConnectTo(inference_node.In("TENSORS"));
  model.ConnectTo(inference_node.SideIn("MODEL"));
  return inference_node.Out("TENSORS").Cast<std::vector<Tensor>>();
}

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // Graph inputs.
  Stream<std::vector<Tensor>> input_tensors =
      graph.In(0).SetName("input_tensors").Cast<std::vector<Tensor>>();
  SidePacket<TfLiteModelPtr> model =
      graph.SideIn(0).SetName("model").Cast<TfLiteModelPtr>();

  InferenceCalculatorOptions::Delegate delegate;
  delegate.mutable_gpu();
  Stream<std::vector<Tensor>> output_tensors =
      RunInference(input_tensors, model, delegate, graph);

  // Graph outputs.
  output_tensors.SetName("output_tensors").ConnectTo(graph.Out(0));

  return graph.GetConfig();
}

Como resultado, RunInference proporciona una interfaz clara que indica cuáles son las entradas o salidas y sus tipos.

Se puede volver a usar fácilmente, p.ej., solo son unas pocas líneas si deseas ejecutar una inferencia de modelo adicional:

  // Run first inference.
  Stream<std::vector<Tensor>> output_tensors =
      RunInference(input_tensors, model, delegate, graph);
  // Run second inference on the output of the first one.
  Stream<std::vector<Tensor>> extra_output_tensors =
      RunInference(output_tensors, extra_model, delegate, graph);

Además, no es necesario que dupliques nombres ni etiquetas (InferenceCalculator, TENSORS, MODEL) ni ingreses constantes dedicadas aquí y allá; esos detalles se localizan en la función RunInference.

Clases de utilidad

Por supuesto, no solo se trata de funciones, sino que, en algunos casos, es beneficioso introducir clases de utilidad que pueden ayudar a que el código de construcción de tu gráfico sea más legible y menos propenso a errores.

MediaPipe ofrece la calculadora de PassThroughCalculator, que simplemente pasa por sus entradas:

input_stream: "float_value"
input_stream: "int_value"
input_stream: "bool_value"

output_stream: "passed_float_value"
output_stream: "passed_int_value"
output_stream: "passed_bool_value"

node {
  calculator: "PassThroughCalculator"
  input_stream: "float_value"
  input_stream: "int_value"
  input_stream: "bool_value"
  # The order must be the same as for inputs (or you can use explicit indexes)
  output_stream: "passed_float_value"
  output_stream: "passed_int_value"
  output_stream: "passed_bool_value"
}

Veamos el código de construcción de C++ sencillo para crear el gráfico anterior:

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // Graph inputs.
  Stream<float> float_value = graph.In(0).SetName("float_value").Cast<float>();
  Stream<int> int_value = graph.In(1).SetName("int_value").Cast<int>();
  Stream<bool> bool_value = graph.In(2).SetName("bool_value").Cast<bool>();

  auto& pass_node = graph.AddNode("PassThroughCalculator");
  float_value.ConnectTo(pass_node.In("")[0]);
  int_value.ConnectTo(pass_node.In("")[1]);
  bool_value.ConnectTo(pass_node.In("")[2]);
  Stream<float> passed_float_value = pass_node.Out("")[0].Cast<float>();
  Stream<int> passed_int_value = pass_node.Out("")[1].Cast<int>();
  Stream<bool> passed_bool_value = pass_node.Out("")[2].Cast<bool>();

  // Graph outputs.
  passed_float_value.SetName("passed_float_value").ConnectTo(graph.Out(0));
  passed_int_value.SetName("passed_int_value").ConnectTo(graph.Out(1));
  passed_bool_value.SetName("passed_bool_value").ConnectTo(graph.Out(2));

  // Get `CalculatorGraphConfig` to pass it into `CalculatorGraph`
  return graph.GetConfig();
}

Si bien la representación de pbtxt puede ser propensa a errores (cuando tenemos que pasar muchas entradas), el código de C++ se ve aún peor: etiquetas vacías repetidas y llamadas a Cast. Veamos cómo podemos mejorarlo introduciendo un PassThroughNodeBuilder:

class PassThroughNodeBuilder {
 public:
  explicit PassThroughNodeBuilder(Graph& graph)
      : node_(graph.AddNode("PassThroughCalculator")) {}

  template <typename T>
  Stream<T> PassThrough(Stream<T> stream) {
    stream.ConnectTo(node_.In(index_));
    return node_.Out(index_++).Cast<T>();
  }

 private:
  int index_ = 0;
  GenericNode& node_;
};

Y ahora el código de construcción del gráfico puede verse de la siguiente manera:

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // Graph inputs.
  Stream<float> float_value = graph.In(0).SetName("float_value").Cast<float>();
  Stream<int> int_value = graph.In(1).SetName("int_value").Cast<int>();
  Stream<bool> bool_value = graph.In(2).SetName("bool_value").Cast<bool>();

  PassThroughNodeBuilder pass_node_builder(graph);
  Stream<float> passed_float_value = pass_node_builder.PassThrough(float_value);
  Stream<int> passed_int_value = pass_node_builder.PassThrough(int_value);
  Stream<bool> passed_bool_value = pass_node_builder.PassThrough(bool_value);

  // Graph outputs.
  passed_float_value.SetName("passed_float_value").ConnectTo(graph.Out(0));
  passed_int_value.SetName("passed_int_value").ConnectTo(graph.Out(1));
  passed_bool_value.SetName("passed_bool_value").ConnectTo(graph.Out(2));

  // Get `CalculatorGraphConfig` to pass it into `CalculatorGraph`
  return graph.GetConfig();
}

Ahora no puedes tener un orden o índice incorrectos en tu pase por el código de construcción y ahorrar algo de escritura si adivinas el tipo de Cast en la entrada PassThrough.

Sugerencias y precauciones

Si es posible, define las entradas del grafo al principio

En el código que aparece a continuación:

Puede ser difícil adivinar cuántas entradas tienes en el gráfico.
Puede ser propenso a errores en general y difícil de mantener en el futuro (p. ej., ¿es un índice correcto?, ¿qué sucede si algunas entradas se quitan o se hacen opcionales?, etcétera.
La reutilización de RunSomething es limitada porque otros gráficos pueden tener entradas diferentes.

NO DEBES ser un ejemplo de código incorrecto.

Stream<D> RunSomething(Stream<A> a, Stream<B> b, Graph& graph) {
  Stream<C> c = graph.In(2).SetName("c").Cast<C>();  // Bad.
  // ...
}

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  Stream<A> a = graph.In(0).SetName("a").Cast<A>();
  // 10/100/N lines of code.
  Stream<B> b = graph.In(1).SetName("b").Cast<B>()  // Bad.
  Stream<D> d = RunSomething(a, b, graph);
  // ...

  return graph.GetConfig();
}

En cambio, define las entradas de tu grafo al comienzo del compilador de grafos:

DEBES: Es un ejemplo de un buen código.

Stream<D> RunSomething(Stream<A> a, Stream<B> b, Stream<C> c, Graph& graph) {
  // ...
}

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // Inputs.
  Stream<A> a = graph.In(0).SetName("a").Cast<A>();
  Stream<B> b = graph.In(1).SetName("b").Cast<B>();
  Stream<C> c = graph.In(2).SetName("c").Cast<C>();

  // 10/100/N lines of code.
  Stream<D> d = RunSomething(a, b, c, graph);
  // ...

  return graph.GetConfig();
}

Usa std::optional si tienes una transmisión de entrada o un paquete lateral que no siempre están definidos y colócalo al comienzo:

DEBES: Es un ejemplo de un buen código.

std::optional<Stream<A>> a;
if (needs_a) {
  a = graph.In(0).SetName(a).Cast<A>();
}

Cómo definir los resultados de grafos al final

En el código que aparece a continuación:

Puede ser difícil adivinar cuántos resultados tienes en el grafo.
Puede ser propenso a errores en general y difícil de mantener en el futuro (p. ej., ¿es un índice correcto?, ¿qué sucede si se quitan algunos outpus o se hacen opcionales?, etcétera).
La reutilización de RunSomething está limitada porque otros gráficos pueden tener diferentes resultados.

NO DEBES ser un ejemplo de código incorrecto.

void RunSomething(Stream<Input> input, Graph& graph) {
  // ...
  node.Out("OUTPUT_F")
      .SetName("output_f").ConnectTo(graph.Out(2));  // Bad.
}

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // 10/100/N lines of code.
  node.Out("OUTPUT_D")
      .SetName("output_d").ConnectTo(graph.Out(0));  // Bad.
  // 10/100/N lines of code.
  node.Out("OUTPUT_E")
      .SetName("output_e").ConnectTo(graph.Out(1));  // Bad.
  // 10/100/N lines of code.
  RunSomething(input, graph);
  // ...

  return graph.GetConfig();
}

En cambio, define los resultados del grafo al final del compilador de grafos:

DEBES: Es un ejemplo de un buen código.

Stream<F> RunSomething(Stream<Input> input, Graph& graph) {
  // ...
  return node.Out("OUTPUT_F").Cast<F>();
}

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // 10/100/N lines of code.
  Stream<D> d = node.Out("OUTPUT_D").Cast<D>();
  // 10/100/N lines of code.
  Stream<E> e = node.Out("OUTPUT_E").Cast<E>();
  // 10/100/N lines of code.
  Stream<F> f = RunSomething(input, graph);
  // ...

  // Outputs.
  d.SetName("output_d").ConnectTo(graph.Out(0));
  e.SetName("output_e").ConnectTo(graph.Out(1));
  f.SetName("output_f").ConnectTo(graph.Out(2));

  return graph.GetConfig();
}

Mantén los nodos separados unos de otros

En MediaPipe, las transmisiones de paquetes y los paquetes laterales son tan significativos como los nodos de procesamiento. Los requisitos de entrada de nodos y productos de salida se expresan de forma independiente y clara en términos de las transmisiones y los paquetes secundarios que consume y produce.

NO DEBES ser un ejemplo de código incorrecto.

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // Inputs.
  Stream<A> a = graph.In(0).Cast<A>();

  auto& node1 = graph.AddNode("Calculator1");
  a.ConnectTo(node1.In("INPUT"));

  auto& node2 = graph.AddNode("Calculator2");
  node1.Out("OUTPUT").ConnectTo(node2.In("INPUT"));  // Bad.

  auto& node3 = graph.AddNode("Calculator3");
  node1.Out("OUTPUT").ConnectTo(node3.In("INPUT_B"));  // Bad.
  node2.Out("OUTPUT").ConnectTo(node3.In("INPUT_C"));  // Bad.

  auto& node4 = graph.AddNode("Calculator4");
  node1.Out("OUTPUT").ConnectTo(node4.In("INPUT_B"));  // Bad.
  node2.Out("OUTPUT").ConnectTo(node4.In("INPUT_C"));  // Bad.
  node3.Out("OUTPUT").ConnectTo(node4.In("INPUT_D"));  // Bad.

  // Outputs.
  node1.Out("OUTPUT").SetName("b").ConnectTo(graph.Out(0));  // Bad.
  node2.Out("OUTPUT").SetName("c").ConnectTo(graph.Out(1));  // Bad.
  node3.Out("OUTPUT").SetName("d").ConnectTo(graph.Out(2));  // Bad.
  node4.Out("OUTPUT").SetName("e").ConnectTo(graph.Out(3));  // Bad.

  return graph.GetConfig();
}

En el código anterior, ocurre lo siguiente:

Los nodos se acoplan entre sí, p. ej., node4 sabe de dónde provienen sus entradas (node1, node2 y node3) y complica la refactorización, el mantenimiento y la reutilización del código.
- Este patrón de uso es una versión inferior de la representación proto, en la que los nodos se separan de forma predeterminada.
Las llamadas a node#.Out("OUTPUT") están duplicadas y la legibilidad se ve afectada, ya que podrías usar nombres más limpios y, además, proporcionar un tipo real.

Por lo tanto, para solucionar los problemas anteriores, puedes escribir el siguiente código de construcción del gráfico:

DEBES: Es un ejemplo de un buen código.

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // Inputs.
  Stream<A> a = graph.In(0).Cast<A>();

  // `node1` usage is limited to 3 lines below.
  auto& node1 = graph.AddNode("Calculator1");
  a.ConnectTo(node1.In("INPUT"));
  Stream<B> b = node1.Out("OUTPUT").Cast<B>();

  // `node2` usage is limited to 3 lines below.
  auto& node2 = graph.AddNode("Calculator2");
  b.ConnectTo(node2.In("INPUT"));
  Stream<C> c = node2.Out("OUTPUT").Cast<C>();

  // `node3` usage is limited to 4 lines below.
  auto& node3 = graph.AddNode("Calculator3");
  b.ConnectTo(node3.In("INPUT_B"));
  c.ConnectTo(node3.In("INPUT_C"));
  Stream<D> d = node3.Out("OUTPUT").Cast<D>();

  // `node4` usage is limited to 5 lines below.
  auto& node4 = graph.AddNode("Calculator4");
  b.ConnectTo(node4.In("INPUT_B"));
  c.ConnectTo(node4.In("INPUT_C"));
  d.ConnectTo(node4.In("INPUT_D"));
  Stream<E> e = node4.Out("OUTPUT").Cast<E>();

  // Outputs.
  b.SetName("b").ConnectTo(graph.Out(0));
  c.SetName("c").ConnectTo(graph.Out(1));
  d.SetName("d").ConnectTo(graph.Out(2));
  e.SetName("e").ConnectTo(graph.Out(3));

  return graph.GetConfig();
}

Ahora, si es necesario, puedes quitar con facilidad node1 y hacer que b sea una entrada de gráfico, y no se necesitan actualizaciones para node2, node3, node4 (al igual que en la representación de proto), porque están desvinculados.

En general, el código anterior replica el protografo con mayor precisión:

input_stream: "a"

node {
  calculator: "Calculator1"
  input_stream: "INPUT:a"
  output_stream: "OUTPUT:b"
}

node {
  calculator: "Calculator2"
  input_stream: "INPUT:b"
  output_stream: "OUTPUT:C"
}

node {
  calculator: "Calculator3"
  input_stream: "INPUT_B:b"
  input_stream: "INPUT_C:c"
  output_stream: "OUTPUT:d"
}

node {
  calculator: "Calculator4"
  input_stream: "INPUT_B:b"
  input_stream: "INPUT_C:c"
  input_stream: "INPUT_D:d"
  output_stream: "OUTPUT:e"
}

output_stream: "b"
output_stream: "c"
output_stream: "d"
output_stream: "e"

Además de eso, ahora puedes extraer funciones de utilidad para volver a usarlas en otros gráficos:

DEBES: Es un ejemplo de un buen código.

Stream<B> RunCalculator1(Stream<A> a, Graph& graph) {
  auto& node = graph.AddNode("Calculator1");
  a.ConnectTo(node.In("INPUT"));
  return node.Out("OUTPUT").Cast<B>();
}

Stream<C> RunCalculator2(Stream<B> b, Graph& graph) {
  auto& node = graph.AddNode("Calculator2");
  b.ConnectTo(node.In("INPUT"));
  return node.Out("OUTPUT").Cast<C>();
}

Stream<D> RunCalculator3(Stream<B> b, Stream<C> c, Graph& graph) {
  auto& node = graph.AddNode("Calculator3");
  b.ConnectTo(node.In("INPUT_B"));
  c.ConnectTo(node.In("INPUT_C"));
  return node.Out("OUTPUT").Cast<D>();
}

Stream<E> RunCalculator4(Stream<B> b, Stream<C> c, Stream<D> d, Graph& graph) {
  auto& node = graph.AddNode("Calculator4");
  b.ConnectTo(node.In("INPUT_B"));
  c.ConnectTo(node.In("INPUT_C"));
  d.ConnectTo(node.In("INPUT_D"));
  return node.Out("OUTPUT").Cast<E>();
}

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // Inputs.
  Stream<A> a = graph.In(0).Cast<A>();

  Stream<B> b = RunCalculator1(a, graph);
  Stream<C> c = RunCalculator2(b, graph);
  Stream<D> d = RunCalculator3(b, c, graph);
  Stream<E> e = RunCalculator4(b, c, d, graph);

  // Outputs.
  b.SetName("b").ConnectTo(graph.Out(0));
  c.SetName("c").ConnectTo(graph.Out(1));
  d.SetName("d").ConnectTo(graph.Out(2));
  e.SetName("e").ConnectTo(graph.Out(3));

  return graph.GetConfig();
}

Separa los nodos para mejorar la legibilidad

NO DEBES ser un ejemplo de código incorrecto.

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // Inputs.
  Stream<A> a = graph.In(0).Cast<A>();
  auto& node1 = graph.AddNode("Calculator1");
  a.ConnectTo(node1.In("INPUT"));
  Stream<B> b = node1.Out("OUTPUT").Cast<B>();
  auto& node2 = graph.AddNode("Calculator2");
  b.ConnectTo(node2.In("INPUT"));
  Stream<C> c = node2.Out("OUTPUT").Cast<C>();
  auto& node3 = graph.AddNode("Calculator3");
  b.ConnectTo(node3.In("INPUT_B"));
  c.ConnectTo(node3.In("INPUT_C"));
  Stream<D> d = node3.Out("OUTPUT").Cast<D>();
  auto& node4 = graph.AddNode("Calculator4");
  b.ConnectTo(node4.In("INPUT_B"));
  c.ConnectTo(node4.In("INPUT_C"));
  d.ConnectTo(node4.In("INPUT_D"));
  Stream<E> e = node4.Out("OUTPUT").Cast<E>();
  // Outputs.
  b.SetName("b").ConnectTo(graph.Out(0));
  c.SetName("c").ConnectTo(graph.Out(1));
  d.SetName("d").ConnectTo(graph.Out(2));
  e.SetName("e").ConnectTo(graph.Out(3));

  return graph.GetConfig();
}

En el código anterior, puede ser difícil captar la idea de dónde comienza y termina cada nodo. Para mejorar esto y ayudar a tus lectores de código, simplemente puedes dejar líneas en blanco antes y después de cada nodo:

DEBES: Es un ejemplo de un buen código.

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // Inputs.
  Stream<A> a = graph.In(0).Cast<A>();

  auto& node1 = graph.AddNode("Calculator1");
  a.ConnectTo(node1.In("INPUT"));
  Stream<B> b = node1.Out("OUTPUT").Cast<B>();

  auto& node2 = graph.AddNode("Calculator2");
  b.ConnectTo(node2.In("INPUT"));
  Stream<C> c = node2.Out("OUTPUT").Cast<C>();

  auto& node3 = graph.AddNode("Calculator3");
  b.ConnectTo(node3.In("INPUT_B"));
  c.ConnectTo(node3.In("INPUT_C"));
  Stream<D> d = node3.Out("OUTPUT").Cast<D>();

  auto& node4 = graph.AddNode("Calculator4");
  b.ConnectTo(node4.In("INPUT_B"));
  c.ConnectTo(node4.In("INPUT_C"));
  d.ConnectTo(node4.In("INPUT_D"));
  Stream<E> e = node4.Out("OUTPUT").Cast<E>();

  // Outputs.
  b.SetName("b").ConnectTo(graph.Out(0));
  c.SetName("c").ConnectTo(graph.Out(1));
  d.SetName("d").ConnectTo(graph.Out(2));
  e.SetName("e").ConnectTo(graph.Out(3));

  return graph.GetConfig();
}

Además, la representación anterior coincide mejor con la representación proto CalculatorGraphConfig.

Si extraes nodos en funciones de utilidad, su alcance ya estará dentro de las funciones, y estará claro dónde comienzan y terminan, por lo que está bien tener lo siguiente:

DEBES: Es un ejemplo de un buen código.

CalculatorGraphConfig BuildGraph() {
  Graph graph;

  // Inputs.
  Stream<A> a = graph.In(0).Cast<A>();

  Stream<B> b = RunCalculator1(a, graph);
  Stream<C> c = RunCalculator2(b, graph);
  Stream<D> d = RunCalculator3(b, c, graph);
  Stream<E> e = RunCalculator4(b, c, d, graph);

  // Outputs.
  b.SetName("b").ConnectTo(graph.Out(0));
  c.SetName("c").ConnectTo(graph.Out(1));
  d.SetName("d").ConnectTo(graph.Out(2));
  e.SetName("e").ConnectTo(graph.Out(3));

  return graph.GetConfig();
}