使用 TensorBoard 可视化模型、数据和训练

创建于：2019 年 8 月 8 日 | 最后更新于：2022 年 10 月 18 日 | 最后验证于：2024 年 11 月 5 日

在 60 分钟闪电战 教程中，我们展示了如何加载数据、如何通过一个定义为 nn.Module 子类的模型来处理数据、如何在训练数据上训练模型以及如何在测试数据上测试模型。为了了解训练进展，我们在模型训练时打印出一些统计信息。然而，我们可以做得更好：PyTorch 集成了 TensorBoard，这是一个专门用于可视化神经网络训练结果的工具。本教程将介绍 TensorBoard 的一些功能，使用 Fashion-MNIST 数据集，该数据集可以使用 torchvision.datasets 加载到 PyTorch 中。

在本教程中，我们将学习如何

1. 读取数据并进行适当的变换 (与之前的教程几乎相同)。

2. 设置 TensorBoard。

3. 向 TensorBoard 写入数据。

4. 使用 TensorBoard 检查模型架构。

5. 使用 TensorBoard 创建我们在上一个教程中创建的可视化的交互式版本，并减少代码量

具体来说，关于第 5 点，我们将看到

• 几种检查训练数据的方法

• 如何跟踪模型在训练过程中的性能

• 模型训练完成后如何评估其性能。

我们将从与 CIFAR-10 教程 中类似的样板代码开始

# imports
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

import torch
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim

# 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)
def matplotlib_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)))

我们将定义与该教程类似的模型架构，只做少量修改，以考虑到图像现在是单通道而不是三通道，以及 28x28 而不是 32x32。

class Net(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)

    def forward(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 设置

现在我们将设置 TensorBoard，从 torch.utils 导入 tensorboard，并定义一个 SummaryWriter，这是我们向 TensorBoard 写入信息的关键对象。

from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter

# default `log_dir` is "runs" - we'll be more specific here
writer = SummaryWriter('runs/fashion_mnist_experiment_1')

注意，仅此一行就会创建一个 runs/fashion_mnist_experiment_1 文件夹。

2. 向 TensorBoard 写入数据

现在让我们使用 make_grid 向 TensorBoard 写入一张图片 - 特别是，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)

现在运行

tensorboard --logdir=runs

从命令行运行，然后导航到 http://localhost:6006 应该会显示如下内容。

现在你知道如何使用 TensorBoard 了！然而，这个例子也可以在 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一个，在本教程结束时还会介绍更多。

3. 使用 TensorBoard 检查模型

TensorBoard 的一个优势是它能够可视化复杂的模型结构。让我们可视化我们构建的模型。

writer.add_graph(net, images)
writer.close()

现在刷新 TensorBoard 后，你应该会看到一个名为“Graphs”的标签页，看起来像这样

继续双击“Net”以展开它，查看构成模型的各个操作的详细视图。

TensorBoard 有一个非常有用的功能，可以将图像数据等高维数据可视化到低维空间中；接下来我们将介绍这一点。

4. 向 TensorBoard 添加“Projector”

我们可以通过 add_embedding 方法可视化高维数据在低维空间中的表示

# helper function
def select_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”标签页中，你可以看到这 100 张图像 - 每张都是 784 维的 - 被投影到三维空间中。此外，这是交互式的：你可以点击并拖动来旋转三维投影。最后，提供一些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”，这将使图像更容易看到，因为它们的背景是白色。

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

在上一个例子中，我们只是简单地每 2000 次迭代打印模型的运行损失。现在，我们将转而将运行损失记录到 TensorBoard 中，并通过 plot_classes_preds 函数查看模型的预测。

# helper functions

def images_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)]


def plot_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，我们将生成一张图片，显示模型在该批次包含的四张图片上的预测与实际结果的对比。

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')

你现在可以查看 scalars 标签页，看到在 15,000 次训练迭代中绘制的运行损失曲线

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。查看“Images”标签页，并在“predictions vs. actuals”可视化下方向下滚动即可看到；这向我们展示了，例如，在仅仅 3000 次训练迭代后，模型就已经能够区分衬衫、运动鞋和大衣等视觉上不同的类别，尽管它的信心不如训练后期那么高。

在之前的教程中，我们在模型训练完成后查看了每个类别的准确率；在这里，我们将使用 TensorBoard 绘制每个类别的 precision-recall curves (精确率-召回率曲线) (此处有很好的解释 here)。

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
def add_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)

你现在将看到一个名为“PR Curves”的标签页，其中包含每个类别的精确率-召回率曲线。不妨查看一下；你会发现，在某些类别上，模型的“曲线下面积”接近 100%，而在其他类别上则较低。

这就是 TensorBoard 以及 PyTorch 与其集成的介绍。当然，你可以在 Jupyter Notebook 中完成 TensorBoard 所做的所有事情，但使用 TensorBoard，你可以获得默认情况下就是交互式的可视化。