使用 TensorBoard 可视化模型、数据和训练
在 60 分钟快速入门 中,我们向您展示了如何加载数据,将其输入到我们定义为 nn.Module
子类的模型中,在训练数据上训练该模型,并在测试数据上进行测试。为了了解训练过程,我们打印了一些统计信息,以便感知训练是否在进展。然而,我们可以做得更好:PyTorch 集成了 TensorBoard,这是一个专为可视化神经网络训练结果而设计的工具。本教程使用 Fashion-MNIST 数据集 展示了 TensorBoard 的一些功能,该数据集可以通过 torchvision.datasets 读取到 PyTorch 中。
在本教程中,我们将学习如何:
读取数据并应用适当的转换(与之前的教程几乎相同)。
设置 TensorBoard。
写入 TensorBoard。
使用 TensorBoard 检查模型架构。
使用 TensorBoard 以更少的代码创建我们在上一个教程中创建的可视化的交互版本。
具体来说,在第5点中,我们将看到:
几种检查训练数据的方法
如何在训练过程中跟踪模型的性能
如何在模型训练完成后评估其性能。
我们将从与 CIFAR-10 教程 中相似的样板代码开始:
# imports
importmatplotlib.pyplotasplt
importnumpyasnp
importtorch
importtorchvision
importtorchvision.transformsastransforms
importtorch.nnasnn
importtorch.nn.functionalasF
importtorch.optimasoptim
# transforms
transform = transforms.Compose(
[transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))])
# datasets
trainset = torchvision.datasets.FashionMNIST('./data',
download=True,
train=True,
transform=transform)
testset = torchvision.datasets.FashionMNIST('./data',
download=True,
train=False,
transform=transform)
# dataloaders
trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=4,
shuffle=True, num_workers=2)
testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=4,
shuffle=False, num_workers=2)
# constant for classes
classes = ('T-shirt/top', 'Trouser', 'Pullover', 'Dress', 'Coat',
'Sandal', 'Shirt', 'Sneaker', 'Bag', 'Ankle Boot')
# helper function to show an image
# (used in the `plot_classes_preds` function below)
defmatplotlib_imshow(img, one_channel=False):
if one_channel:
img = img.mean(dim=0)
img = img / 2 + 0.5 # unnormalize
npimg = img.numpy()
if one_channel:
plt.imshow(npimg, cmap="Greys")
else:
plt.imshow(np.transpose(npimg, (1, 2, 0)))
我们将根据该教程定义一个类似的模型架构,仅进行少量修改,以适应图像现在为单通道而非三通道,且大小为28x28而非32x32的情况:
classNet(nn.Module):
def__init__(self):
super(Net, self).__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5)
self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2)
self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
self.fc1 = nn.Linear(16 * 4 * 4, 120)
self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
self.fc3 = nn.Linear(84, 10)
defforward(self, x):
x = self.pool(F.relu(self.conv1(x)))
x = self.pool(F.relu(self.conv2(x)))
x = x.view(-1, 16 * 4 * 4)
x = F.relu(self.fc1(x))
x = F.relu(self.fc2(x))
x = self.fc3(x)
return x
net = Net()
我们将定义与之前相同的 optimizer
和 criterion
:
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)
1. TensorBoard 配置
现在我们将设置 TensorBoard,从 torch.utils
中导入 tensorboard
并定义一个 SummaryWriter
,这是我们向 TensorBoard 写入信息的关键对象。
fromtorch.utils.tensorboardimport SummaryWriter
# default `log_dir` is "runs" - we'll be more specific here
writer = SummaryWriter('runs/fashion_mnist_experiment_1')
请注意,仅这一行代码就会创建一个 runs/fashion_mnist_experiment_1
文件夹。
2. 写入 TensorBoard
现在让我们使用 make_grid 将一张图像写入到 TensorBoard 中 — 具体来说,是一个网格。
# get some random training images
dataiter = iter(trainloader)
images, labels = next(dataiter)
# create grid of images
img_grid = torchvision.utils.make_grid(images)
# show images
matplotlib_imshow(img_grid, one_channel=True)
# write to tensorboard
writer.add_image('four_fashion_mnist_images', img_grid)
正在运行
tensorboard --logdir=runs
在命令行中执行以下操作后,导航到 http://localhost:6006 应显示如下内容。
现在您已经知道如何使用 TensorBoard 了!不过,这个示例也可以在 Jupyter Notebook 中完成——TensorBoard 真正擅长的是创建交互式可视化。接下来我们将介绍其中之一,并在教程结束时介绍更多内容。
3. 使用 TensorBoard 检查模型
TensorBoard 的一大优势在于其能够可视化复杂的模型结构。让我们来可视化我们构建的模型。
writer.add_graph(net, images)
writer.close()
现在,刷新 TensorBoard 后,您应该会看到一个如下所示的“Graphs”(图表)标签:
接下来,双击“Net”以展开它,查看构成模型的各个操作的详细视图。
TensorBoard 提供了一个非常方便的功能,用于将高维数据(如图像数据)可视化在低维空间中;我们接下来会介绍这一点。
4. 向 TensorBoard 添加“Projector”
我们可以通过 add_embedding 方法可视化高维数据的低维表示
# helper function
defselect_n_random(data, labels, n=100):
'''
Selects n random datapoints and their corresponding labels from a dataset
'''
assert len(data) == len(labels)
perm = torch.randperm(len(data))
return data[perm][:n], labels[perm][:n]
# select random images and their target indices
images, labels = select_n_random(trainset.data, trainset.targets)
# get the class labels for each image
class_labels = [classes[lab] for lab in labels]
# log embeddings
features = images.view(-1, 28 * 28)
writer.add_embedding(features,
metadata=class_labels,
label_img=images.unsqueeze(1))
writer.close()
现在,在 TensorBoard 的“Projector”选项卡中,您可以看到这些 100 张图片——每张都是 784 维的——被投影到三维空间中。此外,这是交互式的:您可以点击并拖动来旋转三维投影。最后,提供几个使可视化更容易查看的技巧:在左上角选择“color: label”,并启用“night mode”,这将使图片更易于查看,因为它们的背景是白色的:
现在我们已经彻底检查了数据,接下来让我们展示 TensorBoard 如何使模型训练和评估的跟踪更加清晰,从训练开始。
5. 使用 TensorBoard 跟踪模型训练
在前面的示例中,我们只是每2000次迭代简单地打印模型的运行损失。现在,我们将改为将运行损失记录到TensorBoard中,同时通过plot_classes_preds
函数查看模型的预测结果。
# helper functions
defimages_to_probs(net, images):
'''
Generates predictions and corresponding probabilities from a trained
network and a list of images
'''
output = net(images)
# convert output probabilities to predicted class
_, preds_tensor = torch.max(output, 1)
preds = np.squeeze(preds_tensor.numpy())
return preds, [F.softmax(el, dim=0)[i].item() for i, el in zip(preds, output)]
defplot_classes_preds(net, images, labels):
'''
Generates matplotlib Figure using a trained network, along with images
and labels from a batch, that shows the network's top prediction along
with its probability, alongside the actual label, coloring this
information based on whether the prediction was correct or not.
Uses the "images_to_probs" function.
'''
preds, probs = images_to_probs(net, images)
# plot the images in the batch, along with predicted and true labels
fig = plt.figure(figsize=(12, 48))
for idx in np.arange(4):
ax = fig.add_subplot(1, 4, idx+1, xticks=[], yticks=[])
matplotlib_imshow(images[idx], one_channel=True)
ax.set_title("{0}, {1:.1f}%\n(label: {2})".format(
classes[preds[idx]],
probs[idx] * 100.0,
classes[labels[idx]]),
color=("green" if preds[idx]==labels[idx].item() else "red"))
return fig
最后,让我们使用之前教程中的相同模型训练代码来训练模型,但每1000个批次将结果写入TensorBoard,而不是打印到控制台;这是通过使用add_scalar函数完成的。
此外,在训练过程中,我们将生成一张图像,显示模型预测结果与该批次中包含的四张图像的实际结果的对比。
running_loss = 0.0
for epoch in range(1): # loop over the dataset multiple times
for i, data in enumerate(trainloader, 0):
# get the inputs; data is a list of [inputs, labels]
inputs, labels = data
# zero the parameter gradients
optimizer.zero_grad()
# forward + backward + optimize
outputs = net(inputs)
loss = criterion(outputs, labels)
loss.backward()
optimizer.step()
running_loss += loss.item()
if i % 1000 == 999: # every 1000 mini-batches...
# ...log the running loss
writer.add_scalar('training loss',
running_loss / 1000,
epoch * len(trainloader) + i)
# ...log a Matplotlib Figure showing the model's predictions on a
# random mini-batch
writer.add_figure('predictions vs. actuals',
plot_classes_preds(net, inputs, labels),
global_step=epoch * len(trainloader) + i)
running_loss = 0.0
print('Finished Training')
您现在可以查看 scalars 标签,查看在 15,000 次训练迭代中绘制的运行损失:
此外,我们还可以查看模型在整个学习过程中对任意批次所做的预测。请查看“Images”标签,并在“predictions vs. actuals”可视化下方滚动查看;这向我们展示了,例如,仅经过 3000 次训练迭代后,模型已经能够区分视觉上不同的类别,如衬衫、运动鞋和外套,尽管它此时还没有像训练后期那样自信:
在之前的教程中,我们查看了模型训练后的每类准确率;在这里,我们将使用 TensorBoard 为每个类绘制精度-召回曲线(这里有很好的解释)。
6. 使用 TensorBoard 评估训练好的模型
# 1. gets the probability predictions in a test_size x num_classes Tensor
# 2. gets the preds in a test_size Tensor
# takes ~10 seconds to run
class_probs = []
class_label = []
with torch.no_grad():
for data in testloader:
images, labels = data
output = net(images)
class_probs_batch = [F.softmax(el, dim=0) for el in output]
class_probs.append(class_probs_batch)
class_label.append(labels)
test_probs = torch.cat([torch.stack(batch) for batch in class_probs])
test_label = torch.cat(class_label)
# helper function
defadd_pr_curve_tensorboard(class_index, test_probs, test_label, global_step=0):
'''
Takes in a "class_index" from 0 to 9 and plots the corresponding
precision-recall curve
'''
tensorboard_truth = test_label == class_index
tensorboard_probs = test_probs[:, class_index]
writer.add_pr_curve(classes[class_index],
tensorboard_truth,
tensorboard_probs,
global_step=global_step)
writer.close()
# plot all the pr curves
for i in range(len(classes)):
add_pr_curve_tensorboard(i, test_probs, test_label)
您现在会看到一个“PR 曲线”标签页,其中包含每个类别的精确率-召回率曲线。您可以随意查看;您会发现,在某些类别上,模型的“曲线下面积”接近 100%,而在其他类别上,这个面积较低:
这就是对 TensorBoard 及其与 PyTorch 集成的介绍。当然,您可以在 Jupyter Notebook 中完成 TensorBoard 的所有功能,但使用 TensorBoard 时,您默认可以获得交互式的可视化效果。