【Mo 人工智能技术博客】现在最流行的图神经网络库 pytorch geometric 上手教学
简介
Graph Neural Networks 简称 GNN，称为图神经网络。近年来 GNN 在学术界受到的关注越来越多，与之相关的论文数量呈上升趋势，GNN 通过对信息的传递，转换和聚合实现特征的提取，类似于传统的 CNN，只是 CNN 只能处理规则的输入，如图片等输入的高、宽和通道数都是固定的，而 GNN 可以处理不规则的输入，如点云等。 可查看【GNN】万字长文带你入门 GCN。
而 PyTorch Geometric Library (简称 PyG) 是一个基于 PyTorch 的图神经网络库，地址是：https://github.com/rusty1s/pytorch_geometric。它包含了很多 GNN 相关论文中的方法实现和常用数据集，并且提供了简单易用的接口来生成图，因此对于复现论文来说也是相当方便。用法大多数和 PyTorch 很相近，因此熟悉 PyTorch 的同学使用这个库可以很快上手。
torch_geometric.data.Data
节点和节点之间的边构成了图。所以在 PyG 中，如果你要构建图，那么需要两个要素：节点和边。PyG 提供了torch_geometric.data.Data (下面简称Data) 用于构建图，包括 5 个属性，每一个属性都不是必须的，可以为空。
- x: 用于存储每个节点的特征，形状是
[num_nodes, num_node_features]。 - edge_index: 用于存储节点之间的边，形状是
[2, num_edges]。 - pos: 存储节点的坐标，形状是
[num_nodes, num_dimensions]。 - y: 存储样本标签。如果是每个节点都有标签，那么形状是
[num_nodes, *]；如果是整张图只有一个标签，那么形状是[1, *]。 - edge_attr: 存储边的特征。形状是
[num_edges, num_edge_features]。
实际上，Data对象不仅仅限制于这些属性，我们可以通过data.face来扩展Data，以张量保存三维网格中三角形的连接性。
需要注意的的是，在Data里包含了样本的 label，这意味和 PyTorch 稍有不同。在PyTorch中，我们重写Dataset的__getitem__()，根据 index 返回对应的样本和 label。在 PyG 中，我们使用的不是这种写法，而是在get()函数中根据 index 返回torch_geometric.data.Data类型的数据，在Data里包含了数据和 label。
下面一个例子是未加权无向图 ( 未加权指边上没有权值 )，包括 3 个节点和 4 条边。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cFhKiOW2-1608614312580)(https://cdn.nlark.com/yuque/0/2020/svg/1213056/1591028162331-53b588c6-97d4-48dc-aafe-5489d6ec3db2.svg#align=left&display=inline&height=81&margin=%5Bobject%20Object%5D&originHeight=81&originWidth=204&size=0&status=done&style=none&width=204)]
由于是无向图，因此有 4 条边：(0 -> 1), (1 -> 0), (1 -> 2), (2 -> 1)。每个节点都有自己的特征。上面这个图可以使用torch_geometric.data.Data来表示如下：
import torch
from torch_geometric.data import Data
# 由于是无向图，因此有 4 条边：(0 -> 1), (1 -> 0), (1 -> 2), (2 -> 1)
edge_index = torch.tensor([[0, 1, 1, 2],
[1, 0, 2, 1]], dtype=torch.long)
# 节点的特征
x = torch.tensor([[-1], [0], [1]], dtype=torch.float)
data = Data(x=x, edge_index=edge_index)
注意edge_index中边的存储方式，有两个list，第 1 个list是边的起始点，第 2 个list是边的目标节点。注意与下面的存储方式的区别。
import torch
from torch_geometric.data import Data
edge_index = torch.tensor([[0, 1],
[1, 0],
[1, 2],
[2, 1]], dtype=torch.long)
x = torch.tensor([[-1], [0], [1]], dtype=torch.float)
data = Data(x=x, edge_index=edge_index.t().contiguous())
这种情况edge_index需要先转置然后使用contiguous()方法。关于contiguous()函数的作用，查看 PyTorch中的contiguous。
最后再复习一遍，Data中最基本的 4 个属性是x、edge_index、pos、y，我们一般都需要这 4 个参数。
有了Data，我们可以创建自己的Dataset，读取并返回Data了。
Dataset 与 DataLoader
PyG 的 Dataset继承自torch.utils.data.Dataset，自带了很多图数据集，我们以TUDataset为例，通过以下代码就可以加载数据集，root参数设置数据下载的位置。通过索引可以访问每一个数据。
from torch_geometric.datasets import TUDataset
dataset = TUDataset(root='/tmp/ENZYMES', name='ENZYMES')
data = dataset[0]
在一个图中，由edge_index和edge_attr可以决定所有节点的邻接矩阵。PyG 通过创建稀疏的对角邻接矩阵，并在节点维度中连接特征矩阵和 label 矩阵，实现了在 mini-batch 的并行化。PyG 允许在一个 mini-batch 中的每个Data (图) 使用不同数量的节点和边。
自定义 Dataset
尽管 PyG 已经包含许多有用的数据集，我们也可以通过继承torch_geometric.data.Dataset使用自己的数据集。提供 2 种不同的Dataset：
- InMemoryDataset：使用这个
Dataset会一次性把数据全部加载到内存中。 - Dataset: 使用这个
Dataset每次加载一个数据到内存中，比较常用。
我们需要在自定义的Dataset的初始化方法中传入数据存放的路径，然后 PyG 会在这个路径下再划分 2 个文件夹：
raw_dir: 存放原始数据的路径，一般是 csv、mat 等格式processed_dir: 存放处理后的数据，一般是 pt 格式 ( 由我们重写process()方法实现)。
在 PyTorch 中，是没有这两个文件夹的。下面来说明一下这两个文件夹在 PyG 中的实际意义和处理逻辑。
torch_geometric.data.Dataset继承自torch.utils.data.Dataset，在初始化方法 __init__()中，会调用_download()方法和_process()方法。
def __init__(self, root=None, transform=None, pre_transform=None,
pre_filter=None):
super(Dataset, self).__init__()
if isinstance(root, str):
root = osp.expanduser(osp.normpath(root))
self.root = root
self.transform = transform
self.pre_transform = pre_transform
self.pre_filter = pre_filter
self.__indices__ = None
# 执行 self._download() 方法
if 'download' in self.__class__.__dict__.keys():
self._download()
# 执行 self._process() 方法
if 'process' in self.__class__.__dict__.keys():
self._process()
_download()方法如下，首先检查self.raw_paths列表中的文件是否存在；如果存在，则返回；如果不存在，则调用self.download()方法下载文件。
def _download(self):
if files_exist(self.raw_paths): # pragma: no cover
return
makedirs(self.raw_dir)
self.download()
_process()方法如下，首先在self.processed_dir中有pre_transform，那么判断这个pre_transform和传进来的pre_transform是否一致，如果不一致，那么警告提示用户先删除self.processed_dir文件夹。pre_filter同理。
然后检查self.processed_paths列表中的文件是否存在；如果存在，则返回；如果不存在，则调用self.process()生成文件。
def _process(self):
f = osp.join(self.processed_dir, 'pre_transform.pt')
if osp.exists(f) and torch.load(f) != __repr__(self.pre_transform):
warnings.warn(
'The `pre_transform` argument differs from the one used in '
'the pre-processed version of this dataset. If you really '
'want to make use of another pre-processing technique, make '
'sure to delete `{}` first.'.format(self.processed_dir))
f = osp.join(self.processed_dir, 'pre_filter.pt')
if osp.exists(f) and torch.load(f) != __repr__(self.pre_filter):
warnings.warn(
'The `pre_filter` argument differs from the one used in the '
'pre-processed version of this dataset. If you really want to '
'make use of another pre-fitering technique, make sure to '
'delete `{}` first.'.format(self.processed_dir))
if files_exist(self.processed_paths): # pragma: no cover
return
print('Processing...')
makedirs(self.processed_dir)
self.process()
path = osp.join(self.processed_dir, 'pre_transform.pt')
torch.save(__repr__(self.pre_transform), path)
path = osp.join(self.processed_dir, 'pre_filter.pt')
torch.save(__repr__(self.pre_filter), path)
print('Done!')
一般来说不用实现downloand()方法。
如果你直接把处理好的 pt 文件放在了self.processed_dir中，那么也不用实现process()方法。
在 Pytorch 的dataset中，我们需要实现__getitem__()方法，根据index返回样本和标签。在这里torch_geometric.data.Dataset中，重写了__getitem__()方法，其中调用了get()方法获取数据。
def __getitem__(self, idx):
if isinstance(idx, int):
data = self.get(self.indices()[idx])
data = data if self.transform is None else self.transform(data)
return data
else:
return self.index_select(idx)
我们需要实现的是get()方法，根据index返回torch_geometric.data.Data类型的数据。
process()方法存在的意义是原始的格式可能是 csv 或者 mat，在process()函数里可以转化为 pt 格式的文件，这样在get()方法中就可以直接使用torch.load()函数读取 pt 格式的文件，返回的是torch_geometric.data.Data类型的数据，而不用在get()方法做数据转换操作 (把其他格式的数据转换为 torch_geometric.data.Data类型的数据)。当然我们也可以提前把数据转换为 torch_geometric.data.Data类型，使用 pt 格式保存在self.processed_dir中。
DataLoader
通过torch_geometric.data.DataLoader可以方便地使用 mini-batch。
from torch_geometric.datasets import TUDataset
from torch_geometric.data import DataLoader
dataset = TUDataset(root='/tmp/ENZYMES', name='ENZYMES', use_node_attr=True)
loader = DataLoader(dataset, batch_size=32, shuffle=True)
for batch in loader:
# 对每一个 mini-batch 进行操作
...
torch_geometric.data.Batch继承自torch_geometric.data.Data，并且多了一个属性：batch。batch是一个列向量，它将每个元素映射到每个 mini-batch 中的相应图：
batch
我们可以使用它分别为每个图的节点维度计算平均的节点特征：
from torch_scatter import scatter_mean
from torch_geometric.datasets import TUDataset
from torch_geometric.data import DataLoader
dataset = TUDataset(root='/tmp/ENZYMES', name='ENZYMES', use_node_attr=True)
loader = DataLoader(dataset, batch_size=32, shuffle=True)
for data in loader:
data
#data: Batch(batch=[1082], edge_index=[2, 4066], x=[1082, 21], y=[32])
x = scatter_mean(data.x, data.batch, dim=0)
# x.size(): torch.Size([32, 21])
关于 batching 的流程细节，你可以点击这里查看。关于scatter方法的说明，你可以查看[torch-scatter说明文档](https://zhuanlan.zhihu.com/p/http%3C/code%3Es://pytorch-scatter.readthedocs.io/)。
Transforms
transforms在计算机视觉领域是一种很常见的数据增强。PyG 有自己的transforms，输出是Data类型，输出也是Data类型。可以使用torch_geometric.transforms.Compose封装一系列的transforms。我们以 ShapeNet 数据集 (包含 17000 个 point clouds，每个 point 分类为 16 个类别的其中一个) 为例，我们可以使用transforms从 point clouds 生成最近邻图：
import torch_geometric.transforms as T
from torch_geometric.datasets import ShapeNet
dataset = ShapeNet(root='/tmp/ShapeNet', categories=['Airplane'],
pre_transform=T.KNNGraph(k=6))
# dataset[0]: Data(edge_index=[2, 15108], pos=[2518, 3], y=[2518])
还可以通过transform在一定范围内随机平移每个点，增加坐标上的扰动，做数据增强：
import torch_geometric.transforms as T
from torch_geometric.datasets import ShapeNet
dataset = ShapeNet(root='/tmp/ShapeNet', categories=['Airplane'],
pre_transform=T.KNNGraph(k=6),
transform=T.RandomTranslate(0.01))
# dataset[0]: Data(edge_index=[2, 15108], pos=[2518, 3], y=[2518])
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模型训练
这里只是展示一个简单的 GCN 模型构造和训练过程，没有用到Dataset和DataLoader。
我们将使用一个简单的 GCN 层，并在 Cora 数据集上实验。有关 GCN 的更多内容，请查看[这篇博客](https://link.zhihu.com/?target=http%3A//tkipf.github.io/graph-convolutional-networks/)。
我们首先加载数据集：
from torch_geometric.datasets import Planetoid
dataset = Planetoid(root='/tmp/Cora', name='Cora')
然后定义 2 层的 GCN：
import torch
import torch.nn.functional as F
from torch_geometric.nn import GCNConv
class Net(torch.nn.Module):
def __init__(self):
super(Net, self).__init__()
self.conv1 = GCNConv(dataset.num_node_features, 16)
self.conv2 = GCNConv(16, dataset.num_classes)
def forward(self, data):
x, edge_index = data.x, data.edge_index
x = self.conv1(x, edge_index)
x = F.relu(x)
x = F.dropout(x, training=self.training)
x = self.conv2(x, edge_index)
return F.log_softmax(x, dim=1)
然后训练 200 个 epochs：
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
model = Net().to(device)
data = dataset[0].to(device)
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.01, weight_decay=5e-4)
model.train()
for epoch in range(200):
optimizer.zero_grad()
out = model(data)
loss = F.nll_loss(out[data.train_mask], data.y[data.train_mask])
loss.backward()
optimizer.step()
最后在测试集上验证了模型的准确率：
model.eval()
_, pred = model(data).max(dim=1)
correct = float (pred[data.test_mask].eq(data.y[data.test_mask]).sum().item())
acc = correct / data.test_mask.sum().item()
print('Accuracy: {:.4f}'.format(acc))
Reference：
- https://pytorch-geometric.readthedocs.io/en/latest/index.html
- https://github.com/rusty1s/pytorch_geometric
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/142948273
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/120311352
- http://tkipf.github.io/graph-convolutional-networks/
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