PyTorch 2.2 中文官方教程(三)(3)

简介: PyTorch 2.2 中文官方教程(三)

PyTorch 2.2 中文官方教程(三)(2)https://developer.aliyun.com/article/1482488


第一个示例

首先,让我们以一个简单的视觉示例开始。我们将使用在 ImageNet 数据集上预训练的 ResNet 模型。我们将获得一个测试输入,并使用不同的特征归因算法来检查输入图像对输出的影响,并查看一些测试图像的输入归因映射的有用可视化。

首先,一些导入:

import torch
import torch.nn.functional as F
import torchvision.transforms as transforms
import torchvision.models as models
import captum
from captum.attr import IntegratedGradients, Occlusion, LayerGradCam, LayerAttribution
from captum.attr import visualization as viz
import os, sys
import json
import numpy as np
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.colors import LinearSegmentedColormap 

现在我们将使用 TorchVision 模型库下载一个预训练的 ResNet。由于我们不是在训练,所以暂时将其置于评估模式。

model = models.resnet18(weights='IMAGENET1K_V1')
model = model.eval() 

您获取这个交互式笔记本的地方也应该有一个带有img文件夹的文件cat.jpg

test_img = Image.open('https://gitcode.net/OpenDocCN/pytorch-doc-zh/-/raw/master/docs/2.2/img/cat.jpg')
test_img_data = np.asarray(test_img)
plt.imshow(test_img_data)
plt.show() 

我们的 ResNet 模型是在 ImageNet 数据集上训练的,并且期望图像具有特定大小,并且通道数据被归一化到特定范围的值。我们还将导入我们的模型识别的类别的可读标签列表 - 这也应该在img文件夹中。

# model expects 224x224 3-color image
transform = transforms.Compose([
 transforms.Resize(224),
 transforms.CenterCrop(224),
 transforms.ToTensor()
])
# standard ImageNet normalization
transform_normalize = transforms.Normalize(
     mean=[0.485, 0.456, 0.406],
     std=[0.229, 0.224, 0.225]
 )
transformed_img = transform(test_img)
input_img = transform_normalize(transformed_img)
input_img = input_img.unsqueeze(0) # the model requires a dummy batch dimension
labels_path = 'https://gitcode.net/OpenDocCN/pytorch-doc-zh/-/raw/master/docs/2.2/img/imagenet_class_index.json'
with open(labels_path) as json_data:
    idx_to_labels = json.load(json_data) 

现在,我们可以问一个问题:我们的模型认为这张图像代表什么?

output = model(input_img)
output = F.softmax(output, dim=1)
prediction_score, pred_label_idx = torch.topk(output, 1)
pred_label_idx.squeeze_()
predicted_label = idx_to_labels[str(pred_label_idx.item())][1]
print('Predicted:', predicted_label, '(', prediction_score.squeeze().item(), ')') 

我们已经确认 ResNet 认为我们的猫图像实际上是一只猫。但是为什么模型认为这是一张猫的图像呢?

要找到答案,我们转向 Captum。

使用集成梯度进行特征归因

特征归因将特定输出归因于输入的特征。它使用特定的输入 - 在这里,我们的测试图像 - 生成每个输入特征对特定输出特征的相对重要性的映射。

Integrated Gradients是 Captum 中可用的特征归因算法之一。集成梯度通过近似模型输出相对于输入的梯度的积分来为每个输入特征分配重要性分数。

在我们的情况下,我们将获取输出向量的特定元素 - 即指示模型对其选择的类别的信心的元素 - 并使用集成梯度来了解输入图像的哪些部分有助于此输出。

一旦我们从集成梯度获得了重要性映射,我们将使用 Captum 中的可视化工具来提供重要性映射的有用表示。Captum 的visualize_image_attr()函数提供了各种选项,用于自定义您的归因数据的显示。在这里,我们传入一个自定义的 Matplotlib 颜色映射。

运行带有integrated_gradients.attribute()调用的单元格通常需要一两分钟。

# Initialize the attribution algorithm with the model
integrated_gradients = IntegratedGradients(model)
# Ask the algorithm to attribute our output target to
attributions_ig = integrated_gradients.attribute(input_img, target=pred_label_idx, n_steps=200)
# Show the original image for comparison
_ = viz.visualize_image_attr(None, np.transpose(transformed_img.squeeze().cpu().detach().numpy(), (1,2,0)),
                      method="original_image", title="Original Image")
default_cmap = LinearSegmentedColormap.from_list('custom blue',
                                                 [(0, '#ffffff'),
                                                  (0.25, '#0000ff'),
                                                  (1, '#0000ff')], N=256)
_ = viz.visualize_image_attr(np.transpose(attributions_ig.squeeze().cpu().detach().numpy(), (1,2,0)),
                             np.transpose(transformed_img.squeeze().cpu().detach().numpy(), (1,2,0)),
                             method='heat_map',
                             cmap=default_cmap,
                             show_colorbar=True,
                             sign='positive',
                             title='Integrated Gradients') 

在上面的图像中,您应该看到集成梯度在图像中猫的位置周围给出了最强的信号。

使用遮挡进行特征归因

基于梯度的归因方法有助于理解模型,直接计算输出相对于输入的变化。基于扰动的归因方法更直接地处理这个问题,通过对输入引入变化来衡量对输出的影响。遮挡就是这样一种方法。它涉及替换输入图像的部分,并检查对输出信号的影响。

在下面,我们设置了遮挡归因。类似于配置卷积神经网络,您可以指定目标区域的大小,以及步长来确定单个测量的间距。我们将使用visualize_image_attr_multiple()来可视化我们的遮挡归因的输出,显示正面和负面归因的热图,以及通过用正面归因区域遮罩原始图像。遮罩提供了一个非常有教育意义的视图,显示了模型认为最“像猫”的猫照片的哪些区域。

occlusion = Occlusion(model)
attributions_occ = occlusion.attribute(input_img,
                                       target=pred_label_idx,
                                       strides=(3, 8, 8),
                                       sliding_window_shapes=(3,15, 15),
                                       baselines=0)
_ = viz.visualize_image_attr_multiple(np.transpose(attributions_occ.squeeze().cpu().detach().numpy(), (1,2,0)),
                                      np.transpose(transformed_img.squeeze().cpu().detach().numpy(), (1,2,0)),
                                      ["original_image", "heat_map", "heat_map", "masked_image"],
                                      ["all", "positive", "negative", "positive"],
                                      show_colorbar=True,
                                      titles=["Original", "Positive Attribution", "Negative Attribution", "Masked"],
                                      fig_size=(18, 6)
                                     ) 

同样,我们看到模型更加重视包含猫的图像区域。

使用 Layer GradCAM 的层归因

层归因允许您将模型中隐藏层的活动归因于输入的特征。在下面,我们将使用一个层归因算法来检查模型中一个卷积层的活动。

GradCAM 计算目标输出相对于给定层的梯度,对每个输出通道(输出的第 2 维)进行平均,并将每个通道的平均梯度乘以层激活。结果在所有通道上求和。GradCAM 设计用于卷积网络;由于卷积层的活动通常在空间上映射到输入,GradCAM 归因通常会被上采样并用于遮罩输入。

层归因的设置与输入归因类似,只是除了模型之外,您还必须指定要检查的模型内的隐藏层。与上面一样,当我们调用attribute()时,我们指定感兴趣的目标类。

layer_gradcam = LayerGradCam(model, model.layer3[1].conv2)
attributions_lgc = layer_gradcam.attribute(input_img, target=pred_label_idx)
_ = viz.visualize_image_attr(attributions_lgc[0].cpu().permute(1,2,0).detach().numpy(),
                             sign="all",
                             title="Layer 3 Block 1 Conv 2") 

我们将使用方便的方法interpolate()LayerAttribution基类中,将这些归因数据上采样,以便与输入图像进行比较。

upsamp_attr_lgc = LayerAttribution.interpolate(attributions_lgc, input_img.shape[2:])
print(attributions_lgc.shape)
print(upsamp_attr_lgc.shape)
print(input_img.shape)
_ = viz.visualize_image_attr_multiple(upsamp_attr_lgc[0].cpu().permute(1,2,0).detach().numpy(),
                                      transformed_img.permute(1,2,0).numpy(),
                                      ["original_image","blended_heat_map","masked_image"],
                                      ["all","positive","positive"],
                                      show_colorbar=True,
                                      titles=["Original", "Positive Attribution", "Masked"],
                                      fig_size=(18, 6)) 

这样的可视化可以让您深入了解隐藏层如何响应输入。

使用 Captum Insights 进行可视化

Captum Insights 是建立在 Captum 之上的可解释性可视化小部件,旨在促进模型理解。Captum Insights 适用于图像、文本和其他特征,帮助用户理解特征归因。它允许您可视化多个输入/输出对的归因,并为图像、文本和任意数据提供可视化工具。

在本节笔记本的这部分中,我们将使用 Captum Insights 可视化多个图像分类推断。

首先,让我们收集一些图像,看看模型对它们的看法。为了多样化,我们将使用我们的猫、一个茶壶和一个三叶虫化石:

imgs = ['https://gitcode.net/OpenDocCN/pytorch-doc-zh/-/raw/master/docs/2.2/img/cat.jpg', 'https://gitcode.net/OpenDocCN/pytorch-doc-zh/-/raw/master/docs/2.2/img/teapot.jpg', 'https://gitcode.net/OpenDocCN/pytorch-doc-zh/-/raw/master/docs/2.2/img/trilobite.jpg']
for img in imgs:
    img = Image.open(img)
    transformed_img = transform(img)
    input_img = transform_normalize(transformed_img)
    input_img = input_img.unsqueeze(0) # the model requires a dummy batch dimension
    output = model(input_img)
    output = F.softmax(output, dim=1)
    prediction_score, pred_label_idx = torch.topk(output, 1)
    pred_label_idx.squeeze_()
    predicted_label = idx_to_labels[str(pred_label_idx.item())][1]
    print('Predicted:', predicted_label, '/', pred_label_idx.item(), ' (', prediction_score.squeeze().item(), ')') 

…看起来我们的模型正确识别了它们所有 - 但当然,我们想深入了解。为此,我们将使用 Captum Insights 小部件,配置一个AttributionVisualizer对象,如下所示导入。AttributionVisualizer期望数据批次,因此我们将引入 Captum 的Batch辅助类。我们将专门查看图像,因此还将导入ImageFeature

我们使用以下参数配置AttributionVisualizer

  • 要检查的模型数组(在我们的情况下,只有一个)
  • 一个评分函数,允许 Captum Insights 从模型中提取前 k 个预测
  • 一个有序的、可读性强的类别列表,我们的模型是在这些类别上进行训练的
  • 要查找的特征列表 - 在我们的情况下,是一个ImageFeature
  • 一个数据集,它是一个可迭代对象,返回输入和标签的批次 - 就像您用于训练的那样
from captum.insights import AttributionVisualizer, Batch
from captum.insights.attr_vis.features import ImageFeature
# Baseline is all-zeros input - this may differ depending on your data
def baseline_func(input):
    return input * 0
# merging our image transforms from above
def full_img_transform(input):
    i = Image.open(input)
    i = transform(i)
    i = transform_normalize(i)
    i = i.unsqueeze(0)
    return i
input_imgs = torch.cat(list(map(lambda i: full_img_transform(i), imgs)), 0)
visualizer = AttributionVisualizer(
    models=[model],
    score_func=lambda o: torch.nn.functional.softmax(o, 1),
    classes=list(map(lambda k: idx_to_labels[k][1], idx_to_labels.keys())),
    features=[
        ImageFeature(
            "Photo",
            baseline_transforms=[baseline_func],
            input_transforms=[],
        )
    ],
    dataset=[Batch(input_imgs, labels=[282,849,69])]
) 

请注意,与上面的归因相比,运行上面的单元格并没有花费太多时间。这是因为 Captum Insights 允许您在可视化小部件中配置不同的归因算法,之后它将计算并显示归因。那个过程将需要几分钟。

在下面的单元格中运行将呈现 Captum Insights 小部件。然后,您可以选择属性方法及其参数,根据预测类别或预测正确性过滤模型响应,查看带有相关概率的模型预测,并查看归因热图与原始图像的比较。

visualizer.render() 

脚本的总运行时间:(0 分钟 0.000 秒)

下载 Python 源代码:captumyt.py

下载 Jupyter 笔记本:captumyt.ipynb

Sphinx-Gallery 生成的图库

学习 PyTorch

使用 PyTorch 进行深度学习:60 分钟入门

原文:pytorch.org/tutorials/beginner/deep_learning_60min_blitz.html

译者:飞龙

协议:CC BY-NC-SA 4.0

作者Soumith Chintala

www.youtube.com/embed/u7x8RXwLKcA

什么是 PyTorch?

PyTorch 是一个基于 Python 的科学计算包,具有两个广泛的用途:

  • 用于利用 GPU 和其他加速器的 NumPy 替代品。
  • 一个自动求导库,用于实现神经网络。

本教程的目标:

  • 了解 PyTorch 的张量库和神经网络的高级概念。
  • 训练一个小型神经网络来分类图像

要运行下面的教程,请确保已安装了torchtorchvisionmatplotlib包。

张量

在本教程中,您将学习 PyTorch 张量的基础知识。

代码

torch.autograd 的简介

了解自动求导。

代码

神经网络

本教程演示了如何在 PyTorch 中训练神经网络。

代码

训练分类器

通过使用 CIFAR10 数据集在 PyTorch 中训练图像分类器。

代码

通过示例学习 PyTorch

原文:pytorch.org/tutorials/beginner/pytorch_with_examples.html

译者:飞龙

协议:CC BY-NC-SA 4.0

作者Justin Johnson

注意

这是我们较旧的 PyTorch 教程之一。您可以在学习基础知识中查看我们最新的入门内容。

本教程通过自包含示例介绍了PyTorch的基本概念。

在核心,PyTorch 提供了两个主要功能:

  • 一个 n 维张量,类似于 numpy 但可以在 GPU 上运行
  • 用于构建和训练神经网络的自动微分

我们将使用拟合y = sin ⁡ ( x ) y=\sin(x)y=sin(x)的问题作为运行示例,使用三阶多项式。网络将有四个参数,并将通过梯度下降进行训练,通过最小化网络输出与真实输出之间的欧几里德距离来拟合随机数据。

注意

您可以在本页末尾浏览各个示例。

目录

  • 张量
  • 【热身:numpy】
  • PyTorch:张量
  • 自动求导
  • PyTorch:张量和自动求导
  • PyTorch:定义新的自动求导函数
  • nn模块
  • PyTorch:nn
  • PyTorch:优化
  • PyTorch:自定义nn模块
  • PyTorch:控制流+权重共享
  • 示例
  • 张量
  • 自动求导
  • nn模块

张量

【热身:numpy】

在介绍 PyTorch 之前,我们将首先使用 numpy 实现网络。

Numpy 提供了一个 n 维数组对象,以及许多用于操作这些数组的函数。Numpy 是一个用于科学计算的通用框架;它不知道计算图、深度学习或梯度。然而,我们可以通过手动实现前向和后向传递来使用 numpy 轻松拟合正弦函数的三阶多项式,使用 numpy 操作:

# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import math
# Create random input and output data
x = np.linspace(-math.pi, math.pi, 2000)
y = np.sin(x)
# Randomly initialize weights
a = np.random.randn()
b = np.random.randn()
c = np.random.randn()
d = np.random.randn()
learning_rate = 1e-6
for t in range(2000):
    # Forward pass: compute predicted y
    # y = a + b x + c x² + d x³
    y_pred = a + b * x + c * x ** 2 + d * x ** 3
    # Compute and print loss
    loss = np.square(y_pred - y).sum()
    if t % 100 == 99:
        print(t, loss)
    # Backprop to compute gradients of a, b, c, d with respect to loss
    grad_y_pred = 2.0 * (y_pred - y)
    grad_a = grad_y_pred.sum()
    grad_b = (grad_y_pred * x).sum()
    grad_c = (grad_y_pred * x ** 2).sum()
    grad_d = (grad_y_pred * x ** 3).sum()
    # Update weights
    a -= learning_rate * grad_a
    b -= learning_rate * grad_b
    c -= learning_rate * grad_c
    d -= learning_rate * grad_d
print(f'Result: y = {a} + {b} x + {c} x² + {d} x³') 

PyTorch:张量

Numpy 是一个很棒的框架,但它无法利用 GPU 加速其数值计算。对于现代深度神经网络,GPU 通常可以提供50 倍或更高的加速,所以遗憾的是 numpy 对于现代深度学习来说不够。

在这里,我们介绍了最基本的 PyTorch 概念:张量。PyTorch 张量在概念上与 numpy 数组相同:张量是一个 n 维数组,PyTorch 提供了许多操作这些张量的函数。在幕后,张量可以跟踪计算图和梯度,但它们也作为科学计算的通用工具非常有用。

与 numpy 不同,PyTorch 张量可以利用 GPU 加速其数值计算。要在 GPU 上运行 PyTorch 张量,只需指定正确的设备。

在这里,我们使用 PyTorch 张量来拟合正弦函数的三阶多项式。与上面的 numpy 示例一样,我们需要手动实现网络的前向和后向传递:

# -*- coding: utf-8 -*-
import torch
import math
dtype = torch.float
device = torch.device("cpu")
# device = torch.device("cuda:0") # Uncomment this to run on GPU
# Create random input and output data
x = torch.linspace(-math.pi, math.pi, 2000, device=device, dtype=dtype)
y = torch.sin(x)
# Randomly initialize weights
a = torch.randn((), device=device, dtype=dtype)
b = torch.randn((), device=device, dtype=dtype)
c = torch.randn((), device=device, dtype=dtype)
d = torch.randn((), device=device, dtype=dtype)
learning_rate = 1e-6
for t in range(2000):
    # Forward pass: compute predicted y
    y_pred = a + b * x + c * x ** 2 + d * x ** 3
    # Compute and print loss
    loss = (y_pred - y).pow(2).sum().item()
    if t % 100 == 99:
        print(t, loss)
    # Backprop to compute gradients of a, b, c, d with respect to loss
    grad_y_pred = 2.0 * (y_pred - y)
    grad_a = grad_y_pred.sum()
    grad_b = (grad_y_pred * x).sum()
    grad_c = (grad_y_pred * x ** 2).sum()
    grad_d = (grad_y_pred * x ** 3).sum()
    # Update weights using gradient descent
    a -= learning_rate * grad_a
    b -= learning_rate * grad_b
    c -= learning_rate * grad_c
    d -= learning_rate * grad_d
print(f'Result: y = {a.item()} + {b.item()} x + {c.item()} x² + {d.item()} x³') 

自动求导

PyTorch:张量和自动求导

在上面的示例中,我们不得不手动实现神经网络的前向和后向传递。对于一个小型的两层网络,手动实现反向传递并不困难,但对于大型复杂网络来说可能会变得非常复杂。

幸运的是,我们可以使用自动微分来自动计算神经网络中的反向传播。PyTorch 中的autograd包提供了这种功能。使用 autograd 时,网络的前向传播将定义一个计算图;图中的节点将是张量,边将是从输入张量产生输出张量的函数。通过这个图进行反向传播,您可以轻松计算梯度。

听起来很复杂,但在实践中使用起来非常简单。每个张量代表计算图中的一个节点。如果x是一个具有x.requires_grad=True的张量,那么x.grad是另一个张量,保存了x相对于某个标量值的梯度。

在这里,我们使用 PyTorch 张量和自动求导来实现我们拟合正弦波的三次多项式示例;现在我们不再需要手动实现网络的反向传播:

# -*- coding: utf-8 -*-
import torch
import math
dtype = torch.float
device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
torch.set_default_device(device)
# Create Tensors to hold input and outputs.
# By default, requires_grad=False, which indicates that we do not need to
# compute gradients with respect to these Tensors during the backward pass.
x = torch.linspace(-math.pi, math.pi, 2000, dtype=dtype)
y = torch.sin(x)
# Create random Tensors for weights. For a third order polynomial, we need
# 4 weights: y = a + b x + c x² + d x³
# Setting requires_grad=True indicates that we want to compute gradients with
# respect to these Tensors during the backward pass.
a = torch.randn((), dtype=dtype, requires_grad=True)
b = torch.randn((), dtype=dtype, requires_grad=True)
c = torch.randn((), dtype=dtype, requires_grad=True)
d = torch.randn((), dtype=dtype, requires_grad=True)
learning_rate = 1e-6
for t in range(2000):
    # Forward pass: compute predicted y using operations on Tensors.
    y_pred = a + b * x + c * x ** 2 + d * x ** 3
    # Compute and print loss using operations on Tensors.
    # Now loss is a Tensor of shape (1,)
    # loss.item() gets the scalar value held in the loss.
    loss = (y_pred - y).pow(2).sum()
    if t % 100 == 99:
        print(t, loss.item())
    # Use autograd to compute the backward pass. This call will compute the
    # gradient of loss with respect to all Tensors with requires_grad=True.
    # After this call a.grad, b.grad. c.grad and d.grad will be Tensors holding
    # the gradient of the loss with respect to a, b, c, d respectively.
    loss.backward()
    # Manually update weights using gradient descent. Wrap in torch.no_grad()
    # because weights have requires_grad=True, but we don't need to track this
    # in autograd.
    with torch.no_grad():
        a -= learning_rate * a.grad
        b -= learning_rate * b.grad
        c -= learning_rate * c.grad
        d -= learning_rate * d.grad
        # Manually zero the gradients after updating weights
        a.grad = None
        b.grad = None
        c.grad = None
        d.grad = None
print(f'Result: y = {a.item()} + {b.item()} x + {c.item()} x² + {d.item()} x³') 

PyTorch: 定义新的自动求导函数

在底层,每个原始的自动求导运算符实际上是作用于张量的两个函数。前向函数从输入张量计算输出张量。反向函数接收输出张量相对于某个标量值的梯度,并计算输入张量相对于相同标量值的梯度。

在 PyTorch 中,我们可以通过定义torch.autograd.Function的子类并实现forwardbackward函数来轻松定义自己的自动求导运算符。然后,我们可以通过构建一个实例并像调用函数一样调用它来使用我们的新自动求导运算符,传递包含输入数据的张量。

在这个例子中,我们将我们的模型定义为y = a + b P 3 ( c + d x ) y=a+b P_3(c+dx)y=a+bP3(c+dx)而不是y = a + b x + c x 2 + d x 3 y=a+bx+cx²+dx³y=a+bx+cx2+dx3,其中P 3 ( x ) = 1 2 ( 5 x 3 − 3 x ) P_3(x)=\frac{1}{2}\left(5x³-3x\right)P3(x)=21(5x33x)是三次勒让德多项式。我们编写自定义的自动求导函数来计算P 3 P_3P3的前向和反向,并使用它来实现我们的模型:

# -*- coding: utf-8 -*-
import torch
import math
class LegendrePolynomial3(torch.autograd.Function):
  """
 We can implement our own custom autograd Functions by subclassing
 torch.autograd.Function and implementing the forward and backward passes
 which operate on Tensors.
 """
    @staticmethod
    def forward(ctx, input):
  """
 In the forward pass we receive a Tensor containing the input and return
 a Tensor containing the output. ctx is a context object that can be used
 to stash information for backward computation. You can cache arbitrary
 objects for use in the backward pass using the ctx.save_for_backward method.
 """
        ctx.save_for_backward(input)
        return 0.5 * (5 * input ** 3 - 3 * input)
    @staticmethod
    def backward(ctx, grad_output):
  """
 In the backward pass we receive a Tensor containing the gradient of the loss
 with respect to the output, and we need to compute the gradient of the loss
 with respect to the input.
 """
        input, = ctx.saved_tensors
        return grad_output * 1.5 * (5 * input ** 2 - 1)
dtype = torch.float
device = torch.device("cpu")
# device = torch.device("cuda:0")  # Uncomment this to run on GPU
# Create Tensors to hold input and outputs.
# By default, requires_grad=False, which indicates that we do not need to
# compute gradients with respect to these Tensors during the backward pass.
x = torch.linspace(-math.pi, math.pi, 2000, device=device, dtype=dtype)
y = torch.sin(x)
# Create random Tensors for weights. For this example, we need
# 4 weights: y = a + b * P3(c + d * x), these weights need to be initialized
# not too far from the correct result to ensure convergence.
# Setting requires_grad=True indicates that we want to compute gradients with
# respect to these Tensors during the backward pass.
a = torch.full((), 0.0, device=device, dtype=dtype, requires_grad=True)
b = torch.full((), -1.0, device=device, dtype=dtype, requires_grad=True)
c = torch.full((), 0.0, device=device, dtype=dtype, requires_grad=True)
d = torch.full((), 0.3, device=device, dtype=dtype, requires_grad=True)
learning_rate = 5e-6
for t in range(2000):
    # To apply our Function, we use Function.apply method. We alias this as 'P3'.
    P3 = LegendrePolynomial3.apply
    # Forward pass: compute predicted y using operations; we compute
    # P3 using our custom autograd operation.
    y_pred = a + b * P3(c + d * x)
    # Compute and print loss
    loss = (y_pred - y).pow(2).sum()
    if t % 100 == 99:
        print(t, loss.item())
    # Use autograd to compute the backward pass.
    loss.backward()
    # Update weights using gradient descent
    with torch.no_grad():
        a -= learning_rate * a.grad
        b -= learning_rate * b.grad
        c -= learning_rate * c.grad
        d -= learning_rate * d.grad
        # Manually zero the gradients after updating weights
        a.grad = None
        b.grad = None
        c.grad = None
        d.grad = None
print(f'Result: y = {a.item()} + {b.item()} * P3({c.item()} + {d.item()} x)') 

nn 模块

PyTorch: nn

计算图和自动求导是定义复杂运算符和自动计算导数的非常强大的范式;然而,对于大型神经网络,原始的自动求导可能有点太低级。

在构建神经网络时,我们经常将计算安排成,其中一些层具有可学习参数,这些参数在学习过程中将被优化。

在 TensorFlow 中,像KerasTensorFlow-SlimTFLearn这样的包提供了对原始计算图的高级抽象,这对构建神经网络很有用。

在 PyTorch 中,nn包提供了相同的功能。nn包定义了一组模块,这些模块大致相当于神经网络层。一个模块接收输入张量并计算输出张量,但也可能包含内部状态,如包含可学习参数的张量。nn包还定义了一组常用的损失函数,这些函数在训练神经网络时经常使用。

在这个例子中,我们使用nn包来实现我们的多项式模型网络:

# -*- coding: utf-8 -*-
import torch
import math
# Create Tensors to hold input and outputs.
x = torch.linspace(-math.pi, math.pi, 2000)
y = torch.sin(x)
# For this example, the output y is a linear function of (x, x², x³), so
# we can consider it as a linear layer neural network. Let's prepare the
# tensor (x, x², x³).
p = torch.tensor([1, 2, 3])
xx = x.unsqueeze(-1).pow(p)
# In the above code, x.unsqueeze(-1) has shape (2000, 1), and p has shape
# (3,), for this case, broadcasting semantics will apply to obtain a tensor
# of shape (2000, 3) 
# Use the nn package to define our model as a sequence of layers. nn.Sequential
# is a Module which contains other Modules, and applies them in sequence to
# produce its output. The Linear Module computes output from input using a
# linear function, and holds internal Tensors for its weight and bias.
# The Flatten layer flatens the output of the linear layer to a 1D tensor,
# to match the shape of `y`.
model = torch.nn.Sequential(
    torch.nn.Linear(3, 1),
    torch.nn.Flatten(0, 1)
)
# The nn package also contains definitions of popular loss functions; in this
# case we will use Mean Squared Error (MSE) as our loss function.
loss_fn = torch.nn.MSELoss(reduction='sum')
learning_rate = 1e-6
for t in range(2000):
    # Forward pass: compute predicted y by passing x to the model. Module objects
    # override the __call__ operator so you can call them like functions. When
    # doing so you pass a Tensor of input data to the Module and it produces
    # a Tensor of output data.
    y_pred = model(xx)
    # Compute and print loss. We pass Tensors containing the predicted and true
    # values of y, and the loss function returns a Tensor containing the
    # loss.
    loss = loss_fn(y_pred, y)
    if t % 100 == 99:
        print(t, loss.item())
    # Zero the gradients before running the backward pass.
    model.zero_grad()
    # Backward pass: compute gradient of the loss with respect to all the learnable
    # parameters of the model. Internally, the parameters of each Module are stored
    # in Tensors with requires_grad=True, so this call will compute gradients for
    # all learnable parameters in the model.
    loss.backward()
    # Update the weights using gradient descent. Each parameter is a Tensor, so
    # we can access its gradients like we did before.
    with torch.no_grad():
        for param in model.parameters():
            param -= learning_rate * param.grad
# You can access the first layer of `model` like accessing the first item of a list
linear_layer = model[0]
# For linear layer, its parameters are stored as `weight` and `bias`.
print(f'Result: y = {linear_layer.bias.item()} + {linear_layer.weight[:,  0].item()} x + {linear_layer.weight[:,  1].item()} x² + {linear_layer.weight[:,  2].item()} x³') 

PyTorch: 优化

到目前为止,我们通过手动改变包含可学习参数的张量来更新模型的权重,使用torch.no_grad()。对于简单的优化算法如随机梯度下降,这并不是一个巨大的负担,但在实践中,我们经常使用更复杂的优化器如AdaGradRMSPropAdam等来训练神经网络。

PyTorch 中的optim包抽象了优化算法的概念,并提供了常用优化算法的实现。

在这个例子中,我们将使用nn包来定义我们的模型,但我们将使用optim包提供的RMSprop算法来优化模型:

# -*- coding: utf-8 -*-
import torch
import math
# Create Tensors to hold input and outputs.
x = torch.linspace(-math.pi, math.pi, 2000)
y = torch.sin(x)
# Prepare the input tensor (x, x², x³).
p = torch.tensor([1, 2, 3])
xx = x.unsqueeze(-1).pow(p)
# Use the nn package to define our model and loss function.
model = torch.nn.Sequential(
    torch.nn.Linear(3, 1),
    torch.nn.Flatten(0, 1)
)
loss_fn = torch.nn.MSELoss(reduction='sum')
# Use the optim package to define an Optimizer that will update the weights of
# the model for us. Here we will use RMSprop; the optim package contains many other
# optimization algorithms. The first argument to the RMSprop constructor tells the
# optimizer which Tensors it should update.
learning_rate = 1e-3
optimizer = torch.optim.RMSprop(model.parameters(), lr=learning_rate)
for t in range(2000):
    # Forward pass: compute predicted y by passing x to the model.
    y_pred = model(xx)
    # Compute and print loss.
    loss = loss_fn(y_pred, y)
    if t % 100 == 99:
        print(t, loss.item())
    # Before the backward pass, use the optimizer object to zero all of the
    # gradients for the variables it will update (which are the learnable
    # weights of the model). This is because by default, gradients are
    # accumulated in buffers( i.e, not overwritten) whenever .backward()
    # is called. Checkout docs of torch.autograd.backward for more details.
    optimizer.zero_grad()
    # Backward pass: compute gradient of the loss with respect to model
    # parameters
    loss.backward()
    # Calling the step function on an Optimizer makes an update to its
    # parameters
    optimizer.step()
linear_layer = model[0]
print(f'Result: y = {linear_layer.bias.item()} + {linear_layer.weight[:,  0].item()} x + {linear_layer.weight[:,  1].item()} x² + {linear_layer.weight[:,  2].item()} x³') 

PyTorch:自定义nn模块

有时候,您可能希望指定比现有模块序列更复杂的模型;对于这些情况,您可以通过子类化nn.Module并定义一个forward来定义自己的模块,该forward接收输入张量并使用其他模块或张量上的其他自动求导操作生成输出张量。

在这个例子中,我们将我们的三次多项式实现为一个自定义的 Module 子类:

# -*- coding: utf-8 -*-
import torch
import math
class Polynomial3(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
  """
 In the constructor we instantiate four parameters and assign them as
 member parameters.
 """
        super().__init__()
        self.a = torch.nn.Parameter(torch.randn(()))
        self.b = torch.nn.Parameter(torch.randn(()))
        self.c = torch.nn.Parameter(torch.randn(()))
        self.d = torch.nn.Parameter(torch.randn(()))
    def forward(self, x):
  """
 In the forward function we accept a Tensor of input data and we must return
 a Tensor of output data. We can use Modules defined in the constructor as
 well as arbitrary operators on Tensors.
 """
        return self.a + self.b * x + self.c * x ** 2 + self.d * x ** 3
    def string(self):
  """
 Just like any class in Python, you can also define custom method on PyTorch modules
 """
        return f'y = {self.a.item()} + {self.b.item()} x + {self.c.item()} x² + {self.d.item()} x³'
# Create Tensors to hold input and outputs.
x = torch.linspace(-math.pi, math.pi, 2000)
y = torch.sin(x)
# Construct our model by instantiating the class defined above
model = Polynomial3()
# Construct our loss function and an Optimizer. The call to model.parameters()
# in the SGD constructor will contain the learnable parameters (defined 
# with torch.nn.Parameter) which are members of the model.
criterion = torch.nn.MSELoss(reduction='sum')
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-6)
for t in range(2000):
    # Forward pass: Compute predicted y by passing x to the model
    y_pred = model(x)
    # Compute and print loss
    loss = criterion(y_pred, y)
    if t % 100 == 99:
        print(t, loss.item())
    # Zero gradients, perform a backward pass, and update the weights.
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()
print(f'Result: {model.string()}') 

PyTorch:控制流+权重共享

作为动态图和权重共享的示例,我们实现了一个非常奇怪的模型:一个三到五次多项式,在每次前向传递时选择一个在 3 到 5 之间的随机数,并使用这么多次数,多次重复使用相同的权重来计算第四和第五次。

对于这个模型,我们可以使用普通的 Python 流程控制来实现循环,并且可以通过在定义前向传递时多次重复使用相同的参数来实现权重共享。

我们可以很容易地将这个模型实现为一个 Module 子类:

# -*- coding: utf-8 -*-
import random
import torch
import math
class DynamicNet(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
  """
 In the constructor we instantiate five parameters and assign them as members.
 """
        super().__init__()
        self.a = torch.nn.Parameter(torch.randn(()))
        self.b = torch.nn.Parameter(torch.randn(()))
        self.c = torch.nn.Parameter(torch.randn(()))
        self.d = torch.nn.Parameter(torch.randn(()))
        self.e = torch.nn.Parameter(torch.randn(()))
    def forward(self, x):
  """
 For the forward pass of the model, we randomly choose either 4, 5
 and reuse the e parameter to compute the contribution of these orders.
 Since each forward pass builds a dynamic computation graph, we can use normal
 Python control-flow operators like loops or conditional statements when
 defining the forward pass of the model.
 Here we also see that it is perfectly safe to reuse the same parameter many
 times when defining a computational graph.
 """
        y = self.a + self.b * x + self.c * x ** 2 + self.d * x ** 3
        for exp in range(4, random.randint(4, 6)):
            y = y + self.e * x ** exp
        return y
    def string(self):
  """
 Just like any class in Python, you can also define custom method on PyTorch modules
 """
        return f'y = {self.a.item()} + {self.b.item()} x + {self.c.item()} x² + {self.d.item()} x³ + {self.e.item()} x⁴ ? + {self.e.item()} x⁵ ?'
# Create Tensors to hold input and outputs.
x = torch.linspace(-math.pi, math.pi, 2000)
y = torch.sin(x)
# Construct our model by instantiating the class defined above
model = DynamicNet()
# Construct our loss function and an Optimizer. Training this strange model with
# vanilla stochastic gradient descent is tough, so we use momentum
criterion = torch.nn.MSELoss(reduction='sum')
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-8, momentum=0.9)
for t in range(30000):
    # Forward pass: Compute predicted y by passing x to the model
    y_pred = model(x)
    # Compute and print loss
    loss = criterion(y_pred, y)
    if t % 2000 == 1999:
        print(t, loss.item())
    # Zero gradients, perform a backward pass, and update the weights.
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()
print(f'Result: {model.string()}') 

示例

您可以在这里浏览上述示例。

张量

自动求导

nn模块

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