PyTorch trick 集锦

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1.指定GPU编号

设置当前使用的GPU设备仅为0号设备，设备名称为 /gpu:0：os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"] = "0"
设置当前使用的GPU设备为0,1号两个设备，名称依次为 /gpu:0、/gpu:1： os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"] = "0,1" ，根据顺序表示优先使用0号设备,然后使用1号设备。
指定GPU的命令需要放在和神经网络相关的一系列操作的前面。

2.查看模型每层输出详情

Keras有一个简洁的API来查看模型的每一层输出尺寸，这在调试网络时非常有用。现在在PyTorch中也可以实现这个功能。
使用很简单，如下用法：

from torchsummary import summary
summary(your_model, input_size=(channels, H, W))
# input_size 是根据你自己的网络模型的输入尺寸进行设置。

3.梯度裁剪（Gradient Clipping）

import torch.nn as nn

outputs = model(data)
loss= loss_fn(outputs, target)
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), max_norm=20, norm_type=2)
optimizer.step()

nn.utils.clip_grad_norm_的参数：
parameters– 一个基于变量的迭代器，会进行梯度归一化
max_norm – 梯度的最大范数
norm_type – 规定范数的类型，默认为L2
知乎用户不椭的椭圆提出：梯度裁剪在某些任务上会额外消耗大量的计算时间

4.扩展单张图片维度

因为在训练时的数据维度一般都是 (batch_size, c, h, w)，而在测试时只输入一张图片，所以需要扩展维度，扩展维度有多个方法：

import cv2
import torch

image = cv2.imread(img_path)
image = torch.tensor(image)
print(image.size())

img = image.view(1, *image.size())
print(img.size())

# output:
# torch.Size([h, w, c])
# torch.Size([1, h, w, c])

import cv2
import numpy as np

image = cv2.imread(img_path)
print(image.shape)
img = image[np.newaxis, :, :, :]
print(img.shape)

# output:
# (h, w, c)
# (1, h, w, c)

import cv2
import torch

image = cv2.imread(img_path)
image = torch.tensor(image)
print(image.size())

img = image.unsqueeze(dim=0)  
print(img.size())

img = img.squeeze(dim=0)
print(img.size())

# output:
# torch.Size([(h, w, c)])
# torch.Size([1, h, w, c])
# torch.Size([h, w, c])

tensor.unsqueeze(dim)：扩展维度，dim指定扩展哪个维度。
tensor.squeeze(dim)：去除dim指定的且size为1的维度，维度大于1时，squeeze()不起作用，不指定dim时，去除所有size为1的维度。

5.独热编码

在PyTorch中使用交叉熵损失函数的时候会自动把label转化成onehot，所以不用手动转化，而使用MSE需要手动转化成onehot编码。

import torch
class_num = 8
batch_size = 4

def one_hot(label):
    """
    将一维列表转换为独热编码
    """
    label = label.resize_(batch_size, 1)
    m_zeros = torch.zeros(batch_size, class_num)
    # 从 value 中取值，然后根据 dim 和 index 给相应位置赋值
    onehot = m_zeros.scatter_(1, label, 1)  # (dim,index,value)

    return onehot.numpy()  # Tensor -> Numpy

label = torch.LongTensor(batch_size).random_() % class_num  # 对随机数取余
print(one_hot(label))

# output:
[[0. 0. 0. 1. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. 0. 1. 0. 0. 0.]
 [0. 0. 1. 0. 0. 0. 0. 0.]
 [0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]]

6.防止验证模型时爆显存

验证模型时不需要求导，即不需要梯度计算，关闭autograd，可以提高速度，节约内存。如果不关闭可能会爆显存.

with torch.no_grad():
    # 使用model进行预测的代码
    pass

Pytorch 训练时无用的临时变量可能会越来越多，导致 out of memory ，可以使用下面语句来清理这些不需要的变量。就是PyTorch的缓存分配器会事先分配一些固定的显存，即使实际上tensors并没有使用完这些显存，这些显存也不能被其他应用使用。这个分配过程由第一次CUDA内存访问触发的。

而 torch.cuda.empty_cache() 的作用就是释放缓存分配器当前持有的且未占用的缓存显存，以便这些显存可以被其他GPU应用程序中使用，并且通过 nvidia-smi命令可见。注意使用此命令不会释放tensors占用的显存。
对于不用的数据变量，Pytorch 可以自动进行回收从而释放相应的显存。

7.学习率衰减

import torch.optim as optim
from torch.optim import lr_scheduler

# 训练前的初始化
optimizer = optim.Adam(net.parameters(), lr=0.001)
scheduler = lr_scheduler.StepLR(optimizer, 10, 0.1)  # # 每过10个epoch，学习率乘以0.1

# 训练过程中
for n in n_epoch:
    scheduler.step(

8.冻结某些层的参数

在加载预训练模型的时候，我们有时想冻结前面几层，使其参数在训练过程中不发生变化。我们需要先知道每一层的名字，通过如下代码打印：

net = Network()  # 获取自定义网络结构
for name, value in net.named_parameters():
    print('name: {0},\t grad: {1}'.format(name, value.requires_grad))

假设前几层信息如下：

name: cnn.VGG_16.convolution1_1.weight,  grad: True
name: cnn.VGG_16.convolution1_1.bias,    grad: True
name: cnn.VGG_16.convolution1_2.weight,  grad: True
name: cnn.VGG_16.convolution1_2.bias,    grad: True
name: cnn.VGG_16.convolution2_1.weight,  grad: True
name: cnn.VGG_16.convolution2_1.bias,    grad: True
name: cnn.VGG_16.convolution2_2.weight,  grad: True
name: cnn.VGG_16.convolution2_2.bias,    grad: True

后面的True表示该层的参数可训练，然后我们定义一个要冻结的层的列表：

no_grad = [
    'cnn.VGG_16.convolution1_1.weight',
    'cnn.VGG_16.convolution1_1.bias',
    'cnn.VGG_16.convolution1_2.weight',
    'cnn.VGG_16.convolution1_2.bias'
]

冻结方法如下：

net = Net.CTPN()  # 获取网络结构
for name, value in net.named_parameters():
    if name in no_grad:
        value.requires_grad = False
    else:
        value.requires_grad = True

冻结后我们再打印每层的信息：

name: cnn.VGG_16.convolution1_1.weight,  grad: False
name: cnn.VGG_16.convolution1_1.bias,    grad: False
name: cnn.VGG_16.convolution1_2.weight,  grad: False
name: cnn.VGG_16.convolution1_2.bias,    grad: False
name: cnn.VGG_16.convolution2_1.weight,  grad: True
name: cnn.VGG_16.convolution2_1.bias,    grad: True
name: cnn.VGG_16.convolution2_2.weight,  grad: True
name: cnn.VGG_16.convolution2_2.bias,    grad: True

可以看到前两层的weight和bias的requires_grad都为False，表示它们不可训练
最后在定义优化器时，只对requires_grad为True的层的参数进行更新。

optimizer = optim.Adam(filter(lambda p: p.requires_grad, net.parameters()), lr=0.01)

9.对不同层使用不同学习率

我们对模型的不同层使用不同的学习率。还是使用这个模型作为例子：

net = Network()  # 获取自定义网络结构
for name, value in net.named_parameters():
    print('name: {}'.format(name))

# 输出：
# name: cnn.VGG_16.convolution1_1.weight
# name: cnn.VGG_16.convolution1_1.bias
# name: cnn.VGG_16.convolution1_2.weight
# name: cnn.VGG_16.convolution1_2.bias
# name: cnn.VGG_16.convolution2_1.weight
# name: cnn.VGG_16.convolution2_1.bias
# name: cnn.VGG_16.convolution2_2.weight
# name: cnn.VGG_16.convolution2_2.bias

对 convolution1 和 convolution2 设置不同的学习率，首先将它们分开，即放到不同的列表里：

conv1_params = []
conv2_params = []

for name, parms in net.named_parameters():
    if "convolution1" in name:
        conv1_params += [parms]
    else:
        conv2_params += [parms]

# 然后在优化器中进行如下操作：
optimizer = optim.Adam(
    [
        {"params": conv1_params, 'lr': 0.01},
        {"params": conv2_params, 'lr': 0.001},
    ],
    weight_decay=1e-3,
)

我们将模型划分为两部分，存放到一个列表里，每部分就对应上面的一个字典，在字典里设置不同的学习率。当这两部分有相同的其他参数时，就将该参数放到列表外面作为全局参数，如上面的weight_decay。
也可以在列表外设置一个全局学习率，当各部分字典里设置了局部学习率时，就使用该学习率，否则就使用列表外的全局学习率。

PyTorch trick 集锦

1.指定GPU编号

2.查看模型每层输出详情

3.梯度裁剪（Gradient Clipping）

4.扩展单张图片维度

5.独热编码

6.防止验证模型时爆显存

7.学习率衰减

8.冻结某些层的参数

9.对不同层使用不同学习率

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