pytorch 利用Tensorboar记录训练过程loss变化

利用Tensorboard记录训练过程中每个epoch的训练loss以及验证loss，便于及时了解网络的训练进展。

代码参考自 B导github仓库: https://github.com/bubbliiiing/deeplabv3-plus-pytorch

1. LossHistory日志类定义

import os
import matplotlib
matplotlib.use('Agg')
from matplotlib import pyplot as plt
import scipy.signal

import torch
import torch.nn.functional as F
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
#from tensorboardX import SummaryWriter
class LossHistory():
    def __init__(self, log_dir, model, input_shape):
        self.log_dir    = log_dir
        self.losses     = []
        self.val_loss   = []
        
        os.makedirs(self.log_dir)
        self.writer     = SummaryWriter(self.log_dir)
        try:
            dummy_input     = torch.randn(2, 3, input_shape[0], input_shape[1])
            self.writer.add_graph(model, dummy_input)
        except:
            pass

    def append_loss(self, epoch, loss, val_loss):
        if not os.path.exists(self.log_dir):
            os.makedirs(self.log_dir)

        self.losses.append(loss)
        self.val_loss.append(val_loss)

        with open(os.path.join(self.log_dir, "epoch_loss.txt"), 'a') as f:
            f.write(str(loss))
            f.write("\n")
        with open(os.path.join(self.log_dir, "epoch_val_loss.txt"), 'a') as f:
            f.write(str(val_loss))
            f.write("\n")

        self.writer.add_scalar('loss', loss, epoch)
        self.writer.add_scalar('val_loss', val_loss, epoch)
        self.loss_plot()

    def loss_plot(self):
        iters = range(len(self.losses))

        plt.figure()
        plt.plot(iters, self.losses, 'red', linewidth = 2, label='train loss')
        plt.plot(iters, self.val_loss, 'coral', linewidth = 2, label='val loss')
        try:
            if len(self.losses) < 25:
                num = 5
            else:
                num = 15
            
            plt.plot(iters, scipy.signal.savgol_filter(self.losses, num, 3), 'green', linestyle = '--', linewidth = 2, label='smooth train loss')
            plt.plot(iters, scipy.signal.savgol_filter(self.val_loss, num, 3), '#8B4513', linestyle = '--', linewidth = 2, label='smooth val loss')
        except:
            pass

        plt.grid(True)
        plt.xlabel('Epoch')
        plt.ylabel('Loss')
        plt.legend(loc="upper right")

        plt.savefig(os.path.join(self.log_dir, "epoch_loss.png"))

        plt.cla()
        plt.close("all")

• (1) 首先利用LossHistory类的构造函数__init__， 实例化Tensorboard的SummaryWriter对象self.writer，并将网络结构图添加到self.writer中。其中__init__方法接收的参数包括，保存log的路径log_dir以及模型model和输入的shape

def __init__(self, log_dir, model, input_shape):
        self.log_dir    = log_dir
        self.losses     = []
        self.val_loss   = []
        
        os.makedirs(self.log_dir)
        self.writer     = SummaryWriter(self.log_dir)
        try:
            dummy_input     = torch.randn(2, 3, input_shape[0], input_shape[1])
            self.writer.add_graph(model, dummy_input)
        except:
            pass

• (2) 记录每个epoch的训练损失loss以及验证val_loss,并保存到tensorboar中显示

self.writer.add_scalar('loss', loss, epoch)
self.writer.add_scalar('val_loss', val_loss, epoch)

同时将训练的loss以及验证val_loss逐行保存到.txt文件中

 with open(os.path.join(self.log_dir, "epoch_loss.txt"), 'a') as f:
      f.write(str(loss))
      f.write("\n")

并且在每个epoch时，调用loss_plot绘制历史的loss曲线，并保存为epoch_loss.png, 由于每个epoch保存的图片都是重名的，因此在训练结束时，会保存最新的所有epoch绘制的loss曲线

2. LossHistory类的使用

2.1 实例化LossHistory

在训练开始前，实例化LossHistory类，调用__init__实例化时，会创建SummaryWriter对象，用于记录训练的过程中的数据，比如loss, graph以及图片信息等

local_rank  = int(os.environ["LOCAL_RANK"]) 
model   = DeepLab(num_classes=num_classes, backbone=backbone, downsample_factor=downsample_factor, pretrained=pretrained)
input_shape     = [512, 512]

if local_rank == 0:
      time_str        = datetime.datetime.strftime(datetime.datetime.now(),'%Y_%m_%d_%H_%M_%S')
      log_dir         = os.path.join(save_dir, "loss_" + str(time_str))
      loss_history    = LossHistory(log_dir, model, input_shape=input_shape)
  else:
      loss_history    = None

• 对于多GPU训练时，只在主进程(local_rank == 0)记录训练的日志信息
• log 保存的路径log_dir，利用loss_ + 当前时间的形式记录

log_dir         = os.path.join(save_dir, "loss_" + str(time_str))

2.2 记录每个epoch的loss

在每个epoch中，利用loss_history的append_loss方法，利用SummaryWriter对象保存loss:

for epoch in range(start_epoch, total_epoch):
	...
	loss_history.append_loss(epoch + 1, total_loss / epoch_step, val_loss / epoch_step_val)

• 记录了每个epoch的训练loss以及验证val_loss
• 同时将最新的loss曲线，保存到本地epoch_loss.png
• 并将历史的训练loss和val_loss保存为txt文件，方便查看

2.3 训练结束close掉SummaryWriter

loss_history.writer.close()

3. 利用Tensorboard 可视化

• Tensorboard最早是在Tensorflow中开发和应用的，pytorch 中也同样支持Tensorboard的使用，pytorch中的Tensorboard工具叫TensorboardX， 它需要依赖于tensorflow库中的一些组件支持。因此在安装Tensorboardx之前，需要先安装TensorFlow, 否则直接安装Tensorboardx运行会报错。

pip install tensorflow
pip install tensorboardX

3.1 显示可视化效果

训练结束后，cd到SummaryWriter中定义好日志保存目录log_dir下，执行如下指令

cd log_dir # log_dir为定义的日志保存目录
tensorboard  --logdir=./     --port 6006 

然后会显示出访问的链接地址，点击链接就可以查看Tensorboard可视化效果

• Scalar模块展示训练过程中，每个epoch的train_loss、Accuracy、Learn_Rating的数值变化
  
• GRAPH模块展示的是模型的网络结构
  
• HISTOGRAMS模块展示添加到tensorboard中各层的权重分布情况
  

参考

• 1 https://github.com/bubbliiiing/deeplabv3-plus-pytorch
• 2 pytorch中使用tensorboard实现训练过程可视化