一些Pytorch常用的代码段,会慢慢继续填充。
$$x_2$$
$$sin^2\theta + cos^2\theta = 1$$
首先需要调用的基本包大致为:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 import collectionsimport osimport shutilimport tqdmimport numpy as npimport PIL.Imageimport torchimport torchvision
基础配置 检查 PyTorch 版本 1 2 3 4 torch.__version__ torch.version.cuda torch.backends.cudnn.version() torch.cuda.get_device_name(0 )
更新PyTorch PyTorch 将被安装在 anaconda3/lib/python3.7/site-packages/torch/目录下。
1 conda update pytorch torchvision -c pytorch
固定随机种子 1 2 torch.manual_seed(0 ) torch.cuda.manual_seed_all(0 )
指定程序 运行在特定GPU卡上 在命令行指定环境变量
1 CUDA_VISIBLE_DEVICES=0 ,1 python train.py
或在代码中指定
1 os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES' ] = '0,1'
判断是否有 CUDA 支持
1 torch.cuda.is_available()
设置为 cuDNN benchmark 模式 Benchmark 模式会提升计算速度,但是由于计算中有随机性,每次网络前馈结果略有差异。
1 torch.backends.cudnn.benchmark = True
如果想要避免这种结果波动,设置
1 torch.backends.cudnn.deterministic = True
清除 GPU 存储 有时 Control-C 中止运行后 GPU 存储没有及时释放,需要手动清空。在 PyTorch 内部可以
1 torch.cuda.empty_cache()
或在命令行可以先使用 ps 找到程序的 PID,再使用 kill 结束该进程
1 ps aux | grep pythonkill -9 [pid]
或者直接重置没有被清空的 GPU
1 nvidia-smi --gpu-reset -i [gpu_id]
张量处理 张量基本信息 1 2 3 tensor.type () tensor.size() tensor.dim()
数据类型转换 1 2 3 4 5 6 7 8 torch.set_default_tensor_type(torch.FloatTensor) tensor = tensor.cuda() tensor = tensor.cpu() tensor = tensor.float () tensor = tensor.long()
torch.Tensor 与 np.ndarray 转换 1 2 3 4 5 6 ndarray = tensor.cpu().numpy() tensor = torch.from_numpy(ndarray).float () tensor = torch.from_numpy(ndarray.copy()).float ()
torch.Tensor 与 PIL.Image 转换 PyTorch 中的张量默认采用 N×D×H×W 的顺序,并且数据范围在 [0, 1],需要进行转置和规范化。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 image = PIL.Image.fromarray(torch.clamp(tensor * 255 , min =0 , max =255 ).byte().permute(1 , 2 , 0 ).cpu().numpy()) image = torchvision.transforms.functional.to_pil_image(tensor) tensor = torch.from_numpy(np.asarray(PIL.Image.open (path)) ).permute(2 , 0 , 1 ).float () / 255 tensor = torchvision.transforms.functional.to_tensor(PIL.Image.open (path))
np.ndarray 与 PIL.Image 转换 1 2 3 4 5 image = PIL.Image.fromarray(ndarray.astypde(np.uint8)) ndarray = np.asarray(PIL.Image.open (path))
从只包含一个元素的张量中提取值 这在训练时统计 loss 的变化过程中特别有用。否则这将累积计算图,使 GPU 存储占用量越来越大。
张量形变 张量形变常常需要用于将卷积层特征输入全连接层的情形。相比 torch.view,torch.reshape 可以自动处理输入张量不连续的情况。
1 tensor = torch.reshape(tensor, shape)
打乱顺序 1 tensor = tensor[torch.randperm(tensor.size(0 ))]
水平翻转 PyTorch 不支持 tensor[::-1] 这样的负步长操作,水平翻转可以用张量索引实现。
复制张量 有三种复制的方式,对应不同的需求。
1 2 3 4 tensor.clone() tensor.detach() tensor.detach.clone()()
拼接张量 注意 torch.cat 和 torch.stack 的区别在于 torch.cat 沿着给定的维度拼接,而 torch.stack 会新增一维。例如当参数是 3 个 10×5 的张量,torch.cat 的结果是 30×5 的张量,而 torch.stack 的结果是 3×10×5 的张量。
1 2 tensor = torch.cat(list_of_tensors, dim=0 ) tensor = torch.stack(list_of_tensors, dim=0 )
将整数标记转换成独热(one-hot)编码 PyTorch 中的标记默认从 0 开始。
1 2 3 N = tensor.size(0 ) one_hot = torch.zeros(N, num_classes).long() one_hot.scatter_(dim=1 , index=torch.unsqueeze(tensor, dim=1 ), src=torch.ones(N, num_classes).long())
得到非零/零元素 1 2 3 4 torch.nonzero(tensor) torch.nonzero(tensor == 0) torch.nonzero(tensor) .size (0) torch.nonzero(tensor == 0) .size (0)
张量扩展 1 2 torch.reshape(tensor, (64 , 512 , 1 , 1 )).expand(64 , 512 , 7 , 7 )
矩阵乘法 1 2 3 4 5 6 7 8 result = torch.mm(tensor1, tensor2) result = torch.bmm(tensor1, tensor2) result = tensor1 * tensor2
计算两组数据之间的两两欧式距离 1 2 3 4 5 6 X1 = torch.unsqueeze(X1, dim=1 ).expand(m, n, d) X2 = torch.unsqueeze(X2, dim=0 ).expand(m, n, d) dist = torch.sqrt(torch.sum ((X1 - X2) ** 2 , dim=2 ))
模型定义 卷积层 最常用的卷积层配置是
1 conv = torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=3 , stride=1 , padding=1 , bias=True )conv = torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=1 , stride=1 , padding=0 , bias=True )
如果卷积层配置比较复杂,不方便计算输出大小时,可以利用如下可视化工具辅助
链接:https://ezyang.github.io/convolution-visualizer/index.html
0GAP(Global average pooling)层 1 gap = torch.nn.AdaptiveAvgPool2d(output_size=1 )
双线性汇合(bilinear pooling) 1 2 3 4 5 6 X = torch.reshape(N, D, H * W) X = torch.bmm(X, torch.transpose(X, 1 , 2 )) / (H * W) assert X.size() == (N, D, D) X = torch.reshape(X, (N, D * D)) X = torch.sign(X) * torch.sqrt(torch.abs (X) + 1e-5 ) X = torch.nn.functional.normalize(X)
多卡同步 BN(Batch normalization) 当使用 torch.nn.DataParallel 将代码运行在多张 GPU 卡上时,PyTorch 的 BN 层默认操作是各卡上数据独立地计算均值和标准差,同步 BN 使用所有卡上的数据一起计算 BN 层的均值和标准差,缓解了当批量大小(batch size)比较小时对均值和标准差估计不准的情况,是在目标检测等任务中一个有效的提升性能的技巧。
链接:https://github.com/vacancy/Synchronized-BatchNorm-PyTorch
类似 BN 滑动平均 如果要实现类似 BN 滑动平均的操作,在 forward 函数中要使用原地(inplace)操作给滑动平均赋值。
1 2 3 4 5 6 7 8 class BN (torch.nn.Module) def __init__ (self ): ... self.register_buffer('running_mean' , torch.zeros(num_features)) def forward (self, X ): ... self.running_mean += momentum * (current - self.running_mean)
计算模型整体参数量 1 num_parameters = sum (torch.numel(parameter ) for parameter in model.parameters())
类似 Keras 的 model.summary() 输出模型信息 链接:https://github.com/sksq96/pytorch-summary
模型权值初始化 注意model.modules() 和model.children() 的区别:model.modules() 会迭代地遍历模型的所有子层,而 model.children() 只会遍历模型下的一层。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 for layer in model.modules(): if isinstance (layer, torch.nn.Conv2d): torch.nn.init.kaiming_normal_(layer.weight, mode='fan_out' , nonlinearity='relu' ) if layer.bias is not None : torch.nn.init.constant_(layer.bias, val=0.0 ) elif isinstance (layer, torch.nn.BatchNorm2d): torch.nn.init.constant_(layer.weight, val=1.0 ) torch.nn.init.constant_(layer.bias, val=0.0 ) elif isinstance (layer, torch.nn.Linear): torch.nn.init.xavier_normal_(layer.weight) if layer.bias is not None : torch.nn.init.constant_(layer.bias, val=0.0 ) layer.weight = torch.nn.Parameter(tensor)
部分层使用预训练模型 注意如果保存的模型是 torch.nn.DataParallel,则当前的模型也需要是
1 model.load_state_dict(torch.load('model,pth' ), strict=False )
将在 GPU 保存的模型加载到 CPU 1 model.load_state_dict(torch.load('model,pth' , map_location='cpu' ))
数据准备、特征提取与微调 得到视频数据基本信息 1 2 3 4 5 6 7 import cv2 video = cv2.VideoCapture(mp4_path) height = int (video.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT)) width = int (video.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH)) num_frames = int (video.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_COUNT)) fps = int (video.get(cv2.CAP_PROP_FPS)) video.release()
TSN 每段(segment)采样一帧视频 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 K = self._num_segmentsif is_train: if num_frames > K: frame_indices = torch.randint( high=num_frames // K, size=(K,), dtype=torch.long) frame_indices += num_frames // K * torch.arange(K) else : frame_indices = torch.randint( high=num_frames, size=(K - num_frames,), dtype=torch.long) frame_indices = torch.sort(torch.cat(( torch.arange(num_frames), frame_indices)))[0 ]else : if num_frames > K: frame_indices = num_frames / K // 2 frame_indices += num_frames // K * torch.arange(K) else : frame_indices = torch.sort(torch.cat(( torch.arange(num_frames), torch.arange(K - num_frames))))[0 ]assert frame_indices.size() == (K,)return [frame_indices[i] for i in range (K)]
提取 ImageNet 预训练模型某层的卷积特征 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 model = torchvision.models.vgg16(pretrained=True ).features[:-1 ] model = torchvision.models.vgg16(pretrained=True ).features model = torchvision.models.vgg16(pretrained=True ) model.classifier = torch.nn.Sequential(*list (model.classifier.children())[:-3 ]) model = torchvision.models.resnet18(pretrained=True ) model = torch.nn.Sequential(collections.OrderedDict( list (model.named_children())[:-1 ]))with torch.no_grad(): model.eval () conv_representation = model(image)
提取 ImageNet 预训练模型多层的卷积特征 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 class FeatureExtractor (torch.nn.Module): """Helper class to extract several convolution features from the given pre-trained model. Attributes: _model, torch.nn.Module. _layers_to_extract, list<str> or set<str> Example: >>> model = torchvision.models.resnet152(pretrained=True) >>> model = torch.nn.Sequential(collections.OrderedDict( list(model.named_children())[:-1])) >>> conv_representation = FeatureExtractor( pretrained_model=model, layers_to_extract={'layer1', 'layer2', 'layer3', 'layer4'})(image) """ def __init__ (self, pretrained_model, layers_to_extract ): torch.nn.Module.__init__(self) self._model = pretrained_model self._model.eval () self._layers_to_extract = set (layers_to_extract) def forward (self, x ): with torch.no_grad(): conv_representation = [] for name, layer in self._model.named_children(): x = layer(x) if name in self._layers_to_extract: conv_representation.append(x) return conv_representation
其他预训练模型 链接:https://github.com/Cadene/pretrained-models.pytorch
微调全连接层 1 2 3 4 5 model = torchvision.models.resnet18(pretrained=True )for param in model.parameters(): param.requires_grad = False model.fc = nn.Linear(512 , 100 ) optimizer = torch.optim.SGD(model.fc.parameters(), lr=1e-2 , momentum=0.9 , weight_decay=1e-4 )
以较大学习率微调全连接层,较小学习率微调卷积层 1 2 3 4 5 6 model = torchvision.models.resnet18(pretrained=True ) finetuned_parameters = list (map (id , model.fc.parameters())) conv_parameters = (p for p in model.parameters() if id (p) not in finetuned_parameters) parameters = [{'params' : conv_parameters, 'lr' : 1e-3 }, {'params' : model.fc.parameters()}] optimizer = torch.optim.SGD(parameters, lr=1e-2 , momentum=0.9 , weight_decay=1e-4 )
模型训练 常用训练和验证数据预处理 其中 ToTensor 操作会将 PIL.Image 或形状为 H×W×D,数值范围为 [0, 255] 的 np.ndarray 转换为形状为 D×H×W,数值范围为 [0.0, 1.0] 的 torch.Tensor。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 train_transform = torchvision.transforms.Compose([ torchvision.transforms.RandomResizedCrop(size=224 , scale=(0.08 , 1.0 )), torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip(), torchvision.transforms.ToTensor(), torchvision.transforms.Normalize(mean=(0.485 , 0.456 , 0.406 ), std=(0.229 , 0.224 , 0.225 )), ]) val_transform = torchvision.transforms.Compose([ torchvision.transforms.Resize(224 ), torchvision.transforms.CenterCrop(224 ), torchvision.transforms.ToTensor(), torchvision.transforms.Normalize(mean=(0.485 , 0.456 , 0.406 ), std=(0.229 , 0.224 , 0.225 )), ])
训练基本代码框架 1 2 3 4 5 6 7 8 for t in epoch(80 ): for images, labels in tqdm.tqdm(train_loader, desc='Epoch %3d' % (t + 1 )): images, labels = images.cuda(), labels.cuda() scores = model(images) loss = loss_function(scores, labels) optimizer.zero_grad() loss.backward() optimizer.step()
标记平滑(label smoothing) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 for images, labels in train_loader: images, labels = images.cuda(), labels.cuda() N = labels.size(0 ) smoothed_labels = torch.full(size=(N, C), fill_value=0.1 / (C - 1 )).cuda() smoothed_labels.scatter_(dim=1 , index=torch.unsqueeze(labels, dim=1 ), value=0.9 ) score = model(images) log_prob = torch.nn.functional.log_softmax(score, dim=1 ) loss = -torch.sum (log_prob * smoothed_labels) / N optimizer.zero_grad() loss.backward() optimizer.step()
Mixup 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 beta_distribution = torch.distributions.beta.Beta(alpha, alpha)for images, labels in train_loader: images, labels = images.cuda(), labels.cuda() lambda_ = beta_distribution.sample([]).item() index = torch.randperm(images.size(0 )).cuda() mixed_images = lambda_ * images + (1 - lambda_) * images[index, :] scores = model(mixed_images) loss = (lambda_ * loss_function(scores, labels) + (1 - lambda_) * loss_function(scores, labels[index])) optimizer.zero_grad() loss.backward() optimizer.step()
L1 正则化 1 2 3 4 5 l1_regularization = torch.nn.L1Loss(reduction='sum' ) loss = ... for param in model.parameters(): loss += torch.sum (torch.abs (param)) loss.backward()
不对偏置项进行 L2 正则化/权值衰减(weight decay) 1 2 3 4 5 bias_list = (param for name, param in model.named_parameters() if name[-4 :] == 'bias' ) others_list = (param for name, param in model.named_parameters() if name[-4 :] != 'bias' ) parameters = [{'parameters' : bias_list, 'weight_decay' : 0 }, {'parameters' : others_list}] optimizer = torch.optim.SGD(parameters, lr=1e-2 , momentum=0.9 , weight_decay=1e-4 )
梯度裁剪(gradient clipping) 1 torch.nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), max_norm=20 )
计算 Softmax 输出的准确率 1 2 3 4 score = model(images) prediction = torch.argmax(score, dim=1 ) num_correct = torch.sum (prediction == labels).item() accuruacy = num_correct / labels.size(0 )
可视化模型前馈的计算图 链接:https://github.com/szagoruyko/pytorchviz
可视化学习曲线 有 Facebook 自己开发的 Visdom 和 Tensorboard 两个选择。
https://github.com/facebookresearch/visdom
https://github.com/lanpa/tensorboardX
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 vis = visdom.Visdom(env='Learning curve' , use_incoming_socket=False )assert self._visdom.check_connection() self._visdom.close() options = collections.namedtuple('Options' , ['loss' , 'acc' , 'lr' ])( loss={'xlabel' : 'Epoch' , 'ylabel' : 'Loss' , 'showlegend' : True }, acc={'xlabel' : 'Epoch' , 'ylabel' : 'Accuracy' , 'showlegend' : True }, lr={'xlabel' : 'Epoch' , 'ylabel' : 'Learning rate' , 'showlegend' : True })for t in epoch(80 ): tran(...) val(...) vis.line(X=torch.Tensor([t + 1 ]), Y=torch.Tensor([train_loss]), name='train' , win='Loss' , update='append' , opts=options.loss) vis.line(X=torch.Tensor([t + 1 ]), Y=torch.Tensor([val_loss]), name='val' , win='Loss' , update='append' , opts=options.loss) vis.line(X=torch.Tensor([t + 1 ]), Y=torch.Tensor([train_acc]), name='train' , win='Accuracy' , update='append' , opts=options.acc) vis.line(X=torch.Tensor([t + 1 ]), Y=torch.Tensor([val_acc]), name='val' , win='Accuracy' , update='append' , opts=options.acc) vis.line(X=torch.Tensor([t + 1 ]), Y=torch.Tensor([lr]), win='Learning rate' , update='append' , opts=options.lr)
得到当前学习率 1 2 3 4 5 6 7 lr = next (iter (optimizer.param_groups))['lr' ] all_lr = []for param_group in optimizer.param_groups: all_lr.append(param_group['lr' ])
学习率衰减 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 scheduler = torch.optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(optimizer, mode='max' , patience=5 , verbose=True )for t in range (0 , 80 ): train(...); val(...) scheduler.step(val_acc) scheduler = torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer, T_max=80 ) scheduler = torch.optim.lr_scheduler.MultiStepLR(optimizer, milestones=[50 , 70 ], gamma=0.1 )for t in range (0 , 80 ): scheduler.step() train(...); val(...) scheduler = torch.optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda=lambda t: t / 10 )for t in range (0 , 10 ): scheduler.step() train(...); val(...)
保存与加载断点 注意为了能够恢复训练,我们需要同时保存模型和优化器的状态,以及当前的训练轮数。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 is_best = current_acc > best_acc best_acc = max (best_acc, current_acc) checkpoint = { 'best_acc' : best_acc, 'epoch' : t + 1 , 'model' : model.state_dict(), 'optimizer' : optimizer.state_dict(), } model_path = os.path.join('model' , 'checkpoint.pth.tar' ) torch.save(checkpoint, model_path)if is_best: shutil.copy('checkpoint.pth.tar' , model_path)if resume: model_path = os.path.join('model' , 'checkpoint.pth.tar' ) assert os.path.isfile(model_path) checkpoint = torch.load(model_path) best_acc = checkpoint['best_acc' ] start_epoch = checkpoint['epoch' ] model.load_state_dict(checkpoint['model' ]) optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer' ]) print ('Load checkpoint at epoch %d.' % start_epoch)
计算准确率、查准率(precision)、查全率(recall) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 accuracy = np.mean(data['label' ] == data['prediction' ]) * 100 for c in range (len (num_classes)): tp = np.dot((data['label' ] == c).astype(int ), (data['prediction' ] == c).astype(int )) tp_fp = np.sum (data['prediction' ] == c) tp_fn = np.sum (data['label' ] == c) precision = tp / tp_fp * 100 recall = tp / tp_fn * 100
PyTorch 其他注意事项 模型定义部分
建议有参数的层和汇合(pooling)层使用 torch.nn 模块定义,激活函数直接使用 torch.nn.functional。
torch.nn 模块和 torch.nn.functional 的区别在于,torch.nn 模块在计算时底层调用了 torch.nn.functional,但 torch.nn 模块包括该层参数,还可以应对训练和测试两种网络状态。使用 torch.nn.functional 时要注意网络状态,如
1 2 3 def forward (self, x ): ... x = torch.nn.functional.dropout(x, p=0.5 , training=self.training)
model(x) 前用 model.train() 和 model.eval() 切换网络状态。
不需要计算梯度的代码块用 with torch.no_grad() 包含起来。model.eval() 和 torch.no_grad() 的区别在于,model.eval() 是将网络切换为测试状态,例如 BN 和随机失活(dropout)在训练和测试阶段使用不同的计算方法。torch.no_grad() 是关闭 PyTorch 张量的自动求导机制,以减少存储使用和加速计算,得到的结果无法进行 loss.backward()。
torch.nn.CrossEntropyLoss 的输入不需要经过 Softmax。torch.nn.CrossEntropyLoss 等价于 torch.nn.functional.log_softmax + torch.nn.NLLLoss。
loss.backward() 前用 optimizer.zero_grad() 清除累积梯度。optimizer.zero_grad() 和 model.zero_grad() 效果一样。
性能与调试部分
torch.utils.data.DataLoader 中尽量设置 pin_memory=True,对特别小的数据集如 MNIST 设置 pin_memory=False 反而更快一些。num_workers 的设置需要在实验中找到最快的取值。
用 del 及时删除不用的中间变量,节约 GPU 存储。
使用 inplace 操作可节约 GPU 存储,如
1 x = torch.nn.functional.relu(x, inplace=True )
减少 CPU 和 GPU 之间的数据传输。例如如果你想知道一个 epoch 中每个 mini-batch 的 loss 和准确率,先将它们累积在 GPU 中等一个 epoch 结束之后一起传输回 CPU 会比每个 mini-batch 都进行一次 GPU 到 CPU 的传输更快。
使用半精度浮点数 half() 会有一定的速度提升,具体效率依赖于 GPU 型号。需要小心数值精度过低带来的稳定性问题。
时常使用 assert tensor.size() == (N, D, H, W) 作为调试手段,确保张量维度和你设想中一致。
除了标记 y 外,尽量少使用一维张量,使用 n*1 的二维张量代替,可以避免一些意想不到的一维张量计算结果。
统计代码各部分耗时
1 2 3 with torch.autograd.profiler.profile(enabled=True , use_cuda=False ) as profile: ...print (profile)
或者在命令行运行
1 python -m torch.utils.bottleneck main.py
参考资料