PyTorch最好的资料是官方文档。
1. 基本配置
需要导入的包
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检查PyTorch版本
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固定随机种子
在硬件设备(CPU、GPU)不同时,完全的可复现性无法保证,即使随机种子相同。但是,在同一个设备上,应该保证可复现性。具体做法是,在程序开始的时候固定torch的随机种子,同时也把numpy的随机种子固定。
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指定程序运行在特定GPU卡上
在命令行指定环境变量
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或在代码中指定
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判断是否有CUDA支持
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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。
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如果想要避免这种结果波动,设置
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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
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2. 张量(Tensor)处理
张量的数据类型
A torch.dtype is an object that represents the data type of a torch.Tensor. PyTorch has twelve different data types:
| Data type | dtype | Legacy Constructors |
|---|---|---|
| 32-bit floating point | torch.float32 or torch.float | torch.*.FloatTensor |
| 64-bit floating point | torch.float64 or torch.double | torch.*.DoubleTensor |
| 64-bit complex | torch.complex64 or torch.cfloat | |
| 128-bit complex | torch.complex128 or torch.cdouble | |
| **16-bit floating point **[1] | torch.float16 or torch.half | torch.*.HalfTensor |
| **16-bit floating point **[2] | torch.bfloat16 | torch.*.BFloat16Tensor |
| 8-bit integer (unsigned) | torch.uint8 | torch.*.ByteTensor |
| 8-bit integer (signed) | torch.int8 | torch.*.CharTensor |
| 16-bit integer (signed) | torch.int16 or torch.short | torch.*.ShortTensor |
| 32-bit integer (signed) | torch.int32 or torch.int | torch.*.IntTensor |
| 64-bit integer (signed) | torch.int64 or torch.long | torch.*.LongTensor |
| Boolean | torch.bool | torch.*.BoolTensor |
张量基本信息
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命名张量
张量命名是一个非常有用的方法,这样可以方便地使用维度的名字来做索引或其他操作,大大提高了可读性、易用性,防止出错。
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数据类型转换
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torch.Tensor与np.ndarray转换
除了CharTensor,其他所有CPU上的张量都支持转换为numpy格式然后再转换回来。
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Torch.tensor与PIL.Image转换
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np.ndarray与PIL.Image的转换
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从只包含一个元素的张量中提取值
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张量形变
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打乱顺序
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水平翻转
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复制张量
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张量拼接
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将整数标签转为one-hot编码
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得到非零元素
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判断两个张量相等
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张量扩展
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矩阵乘法
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计算两组数据之间的两两欧式距离
利用broadcast机制
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GAP**(Global average pooling)层**
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3. 模型定义和操作
一个简单两层卷积网络的示例
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卷积层的计算和展示可以用这个网站辅助。
双线性汇合(bilinear pooling)
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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。
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将已有网络的所有BN层改为同步BN层
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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。
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计算模型整体参数量
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查看网络中的参数
可以通过model.state_dict()或者model.named_parameters()函数查看现在的全部可训练参数(包括通过继承得到的父类中的参数)
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模型权重初始化
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。
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提取模型中的某一层
modules()会返回模型中所有模块的迭代器,它能够访问到最内层,比如self.layer1.conv1这个模块,还有一个与它们相对应的是name_children()属性以及named_modules(),这两个不仅会返回模块的迭代器,还会返回网络层的名字。
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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
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将在 GPU 保存的模型加载到 CPU
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导入另一个模型的相同部分到新的模型
模型导入参数时,如果两个模型结构不一致,则直接导入参数会报错。用下面方法可以把另一个模型的相同的部分导入到新的模型中。
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4. 数据准备、特征提取与微调
图像分块打散(image shuffle)/区域混淆机制(region confusion mechanism,RCM)
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计算数据集的均值和标准差
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得到视频数据基本信息
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TSN 每段(segment)采样一帧视频
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提取ImageNet预训练模型某层的卷积特征
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提取ImageNet预训练模型多层的卷积特征
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微调全连接层
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以较大学习率微调全连接层,较小学习率微调卷积层
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5.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。
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训练代码基本框架
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标记平滑(label smoothing)
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Mixup
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L1正则化
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不对偏置项进行L2正则化/权值衰减(weight decay)
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梯度裁剪(gradient clipping)
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计算Softmax输出的准确率
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得到当前学习率
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学习率衰减
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保存与加载断点
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计算准确率、查准率(precision)、查全率(recall)
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6.模型测试
计算每个类别的查准率(precision)、查全率(recall)、F1和总体指标
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将各类结果写入电子表格
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7.PyTorch其他注意事项
模型定义
- 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
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- 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。
PyTorch性能与调试
- 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
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此外,还可以通过torch.utils.checkpoint前向传播时只保留一部分中间结果来节约GPU存储使用,在反向传播时需要的内容从最近中间结果中计算得到。
- 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
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或者在命令行运行
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