写给程序员的机器学习入门 (八补充)

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写给程序员的机器学习入门 (八补充)

2024-07-13 06:55| 来源: 网络整理| 查看: 265

在之前的文章中我训练模型都是使用的 CPU，因为家中黄脸婆不允许我浪费钱买电脑😭。终于的，附近一个废品回收站的朋友转让给我一台破烂旧电脑，所以我现在可以体验使用 GPU 训练模型了🥳。

显卡要求

pytorch, tensorflow 等主流的框架的 GPU 支持都基于 CUDA 框架，而目前提供 CUDA 支持的显卡只有 nvidia，这次我捡到的破烂是 GTX 1650 4GB 所以满足最低要求了。简单描述下目前各种显卡的支持程度：

Intel 核显：死心叭 APU：没法用 Nvidia Geforce 2GB 可以用来跑一些入门例子 4GB 可以跑一些简单模型 6GB 可以跑一些中级模型 8GB 可以跑一些高级模型 10GB以上可以跑最前沿的模型 Radeon：要折腾，试试 ROCm

如果真的要玩机器学习推荐购买 RTX 系列，因为有 tensor 核心和 16 位浮点数支持，训练速度会快很多，并且使用 16 位浮点数可以让显存占用少一半。虽然在过几个星期就可以看到 3000 系列的显卡了，可惜没钱买🤒。此外，明年如果出支持机器学习的民用国产显卡必定会大力支持😡。

安装显卡驱动

Windows 的话会通过 Windows Update 自动安装， pytorch 会自动检测出显卡，不需要做任何工作。Linux 需要安装 Nvidia 官方的闭源驱动 (开源的 Nouveau 驱动不支持 CUDA)，如果是 Ubuntu 那么在安装系统的时候打个勾就可以自动安装，如果没打可以参考这篇文章，其他 Linux 系统如果源没有提供可以去 Nvidia 官方下载驱动。

安装以后可以执行以下代码看看 pytorch 是否可以检测出显卡：

>>> import torch # 判读是否有 GPU 支持 >>> torch.cuda.is_available() True # 判断插了几张可用的显卡 >>> torch.cuda.device_count() 1 # 获取第一张显卡的名称 >>> torch.cuda.get_device_name(0) 'GeForce GTX 1650'

如果输出类似以上的结果，那么就代表没有问题了。

在 pytorch 中使用 GPU

pytorch 默认会把 tensor 对象的数据保存在内存上，计算会由 CPU 执行，如果我们想使用 GPU，可以调用 tensor 对象的 cuda 方法把对象的数据复制到显存上，复制以后的 tensor 对象运算会使用 GPU。注意在内存上的 tensor 对象和在显存上的 tensor 对象之间无法进行运算。

# 创建一个 tensor，默认会保存在内存上，由 CPU 进行计算 >>> a = torch.tensor([1,2,3]) >>> a tensor([1, 2, 3]) # 把 tensor 复制到显存上，针对此 tensor 的计算将会使用 GPU >>> b = a.cuda() >>> b tensor([1, 2, 3], device='cuda:0')

如果你想编写同时兼容 GPU 和 CPU 的代码可以使用以下写法，如果有支持的 GPU 则会使用 GPU，如果没有则会使用 CPU：

# 创建一个 device 对象，如果显卡可用则指向显卡，否则指向 CPU >>> device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") # 创建一个 tensor 并复制到指定 device >>> a = torch.tensor([1,2,3]) >>> b = a.to(device) >>> a tensor([1, 2, 3]) >>> b tensor([1, 2, 3], device='cuda:0')

如果你插了多张显卡，以上的写法只会使用第一张，你可以通过 "cuda:序号" 来指定不同的显卡来实现分布式计算。

>>> device1 = torch.device("cuda:0") >>> device1 device(type='cuda', index=0) >>> device2 = torch.device("cuda:1") >>> device2 device(type='cuda', index=1) 使用 GPU 训练识别验证码的模型

这里我拿前一篇文章的代码来展示怎样实际使用 GPU 训练识别验证码的模型，以下是修改后完整的代码：

如何生成训练数据和如何使用这份代码的说明请参考前一篇文章。

import os import sys import torch import gzip import itertools import random import numpy import json from PIL import Image from torch import nn from matplotlib import pyplot # 分析目标的图片大小，全部图片都会先缩放到这个大小 # 验证码原图是 120x50 IMAGE_SIZE = (56, 24) # 分析目标的图片所在的文件夹 IMAGE_DIR = "./generate-captcha/output/" # 字母数字列表 ALPHA_NUMS = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789" ALPHA_NUMS_MAP = { c: index for index, c in enumerate(ALPHA_NUMS) } # 验证码位数 DIGITS = 4 # 标签数量，字母数字混合*位数 NUM_LABELS = len(ALPHA_NUMS)*DIGITS # 用于启用 GPU 支持 device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") class BasicBlock(nn.Module): """ResNet 使用的基础块""" expansion = 1 # 定义这个块的实际出通道是 channels_out 的几倍，这里的实现固定是一倍 def __init__(self, channels_in, channels_out, stride): super().__init__() # 生成 3x3 的卷积层 # 处理间隔 stride = 1 时，输出的长宽会等于输入的长宽，例如 (32-3+2)//1+1 == 32 # 处理间隔 stride = 2 时，输出的长宽会等于输入的长宽的一半，例如 (32-3+2)//2+1 == 16 # 此外 resnet 的 3x3 卷积层不使用偏移值 bias self.conv1 = nn.Sequential( nn.Conv2d(channels_in, channels_out, kernel_size=3, stride=stride, padding=1, bias=False), nn.BatchNorm2d(channels_out)) # 再定义一个让输出和输入维度相同的 3x3 卷积层 self.conv2 = nn.Sequential( nn.Conv2d(channels_out, channels_out, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False), nn.BatchNorm2d(channels_out)) # 让原始输入和输出相加的时候，需要维度一致，如果维度不一致则需要整合 self.identity = nn.Sequential() if stride != 1 or channels_in != channels_out * self.expansion: self.identity = nn.Sequential( nn.Conv2d(channels_in, channels_out * self.expansion, kernel_size=1, stride=stride, bias=False), nn.BatchNorm2d(channels_out * self.expansion)) def forward(self, x): # x => conv1 => relu => conv2 => + => relu # | ^ # |==============================| tmp = self.conv1(x) tmp = nn.functional.relu(tmp) tmp = self.conv2(tmp) tmp += self.identity(x) y = nn.functional.relu(tmp) return y class MyModel(nn.Module): """识别验证码 (ResNet-18)""" def __init__(self, block_type = BasicBlock): super().__init__() # 记录上一层的出通道数量 self.previous_channels_out = 64 # 把 3 通道转换到 64 通道，长宽不变 self.conv1 = nn.Sequential( nn.Conv2d(3, self.previous_channels_out, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False), nn.BatchNorm2d(self.previous_channels_out)) # ResNet 使用的各个层 self.layer1 = self._make_layer(block_type, channels_out=64, num_blocks=2, stride=1) self.layer2 = self._make_layer(block_type, channels_out=128, num_blocks=2, stride=2) self.layer3 = self._make_layer(block_type, channels_out=256, num_blocks=2, stride=2) self.layer4 = self._make_layer(block_type, channels_out=512, num_blocks=2, stride=2) # 把最后一层的长宽转换为 1x1 的池化层，Adaptive 表示会自动检测原有长宽 # 例如 B,512,4,4 的矩阵会转换为 B,512,1,1，每个通道的单个值会是原有 16 个值的平均 self.avgPool = nn.AdaptiveAvgPool2d((1, 1)) # 全连接层，只使用单层线性模型 self.fc_model = nn.Linear(512 * block_type.expansion, NUM_LABELS) # 控制输出在 0 ~ 1 之间，BCELoss 需要 # 因为每组只应该有一个值为真，使用 softmax 效果会比 sigmoid 好 self.softmax = nn.Softmax(dim=2) def _make_layer(self, block_type, channels_out, num_blocks, stride): blocks = [] # 添加第一个块 blocks.append(block_type(self.previous_channels_out, channels_out, stride)) self.previous_channels_out = channels_out * block_type.expansion # 添加剩余的块，剩余的块固定处理间隔为 1，不会改变长宽 for _ in range(num_blocks-1): blocks.append(block_type(self.previous_channels_out, self.previous_channels_out, 1)) self.previous_channels_out *= block_type.expansion return nn.Sequential(*blocks) def forward(self, x): # 转换出通道到 64 tmp = self.conv1(x) tmp = nn.functional.relu(tmp) # 应用 ResNet 的各个层 tmp = self.layer1(tmp) tmp = self.layer2(tmp) tmp = self.layer3(tmp) tmp = self.layer4(tmp) # 转换长宽到 1x1 tmp = self.avgPool(tmp) # 扁平化，维度会变为 B,512 tmp = tmp.view(tmp.shape[0], -1) # 应用全连接层 tmp = self.fc_model(tmp) # 划分每个字符对应的组，之后维度为 batch_size, digits, alpha_nums tmp = tmp.reshape(tmp.shape[0], DIGITS, len(ALPHA_NUMS)) # 应用 softmax 到每一组 tmp = self.softmax(tmp) # 重新扁平化，之后维度为 batch_size, num_labels y = tmp.reshape(tmp.shape[0], NUM_LABELS) return y def save_tensor(tensor, path): """保存 tensor 对象到文件""" torch.save(tensor, gzip.GzipFile(path, "wb")) def load_tensor(path): """从文件读取 tensor 对象""" return torch.load(gzip.GzipFile(path, "rb")) def image_to_tensor(img): """转换图片对象到 tensor 对象""" in_img = img.resize(IMAGE_SIZE) in_img = in_img.convert("RGB") # 转换图片模式到 RGB arr = numpy.asarray(in_img) t = torch.from_numpy(arr) t = t.transpose(0, 2) # 转换维度 H,W,C 到 C,W,H t = t / 255.0 # 正规化数值使得范围在 0 ~ 1 return t def code_to_tensor(code): """转换验证码到 tensor 对象，使用 onehot 编码""" t = torch.zeros((NUM_LABELS,)) code = code.lower() # 验证码不分大小写 for index, c in enumerate(code): p = ALPHA_NUMS_MAP[c] t[index*len(ALPHA_NUMS)+p] = 1 return t def tensor_to_code(tensor): """转换 tensor 对象到验证码""" tensor = tensor.reshape(DIGITS, len(ALPHA_NUMS)) indices = tensor.max(dim=1).indices code = "".join(ALPHA_NUMS[index] for index in indices) return code def prepare_save_batch(batch, tensor_in, tensor_out): """准备训练 - 保存单个批次的数据""" # 切分训练集 (80%)，验证集 (10%) 和测试集 (10%) random_indices = torch.randperm(tensor_in.shape[0]) training_indices = random_indices[:int(len(random_indices)*0.8)] validating_indices = random_indices[int(len(random_indices)*0.8):int(len(random_indices)*0.9):] testing_indices = random_indices[int(len(random_indices)*0.9):] training_set = (tensor_in[training_indices], tensor_out[training_indices]) validating_set = (tensor_in[validating_indices], tensor_out[validating_indices]) testing_set = (tensor_in[testing_indices], tensor_out[testing_indices]) # 保存到硬盘 save_tensor(training_set, f"data/training_set.{batch}.pt") save_tensor(validating_set, f"data/validating_set.{batch}.pt") save_tensor(testing_set, f"data/testing_set.{batch}.pt") print(f"batch {batch} saved") def prepare(): """准备训练""" # 数据集转换到 tensor 以后会保存在 data 文件夹下 if not os.path.isdir("data"): os.makedirs("data") # 查找所有图片 image_paths = [] for root, dirs, files in os.walk(IMAGE_DIR): for filename in files: path = os.path.join(root, filename) if not path.endswith(".png"): continue # 验证码在文件名中，例如 # 00000-R865.png => R865 code = filename.split(".")[0].split("-")[1] image_paths.append((path, code)) # 打乱图片顺序 random.shuffle(image_paths) # 分批读取和保存图片 batch_size = 1000 for batch in range(0, len(image_paths) // batch_size): image_tensors = [] image_labels = [] for path, code in image_paths[batch*batch_size:(batch+1)*batch_size]: with Image.open(path) as img: image_tensors.append(image_to_tensor(img)) image_labels.append(code_to_tensor(code)) tensor_in = torch.stack(image_tensors) # 维度: B,C,W,H tensor_out = torch.stack(image_labels) # 维度: B,N prepare_save_batch(batch, tensor_in, tensor_out) def train(): """开始训练""" # 创建模型实例 model = MyModel().to(device) # 创建损失计算器 # 计算多分类输出最好使用 BCELoss loss_function = torch.nn.BCELoss() # 创建参数调整器 optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters()) # 记录训练集和验证集的正确率变化 training_accuracy_history = [] validating_accuracy_history = [] # 记录最高的验证集正确率 validating_accuracy_highest = -1 validating_accuracy_highest_epoch = 0 # 读取批次的工具函数 def read_batches(base_path): for batch in itertools.count(): path = f"{base_path}.{batch}.pt" if not os.path.isfile(path): break yield [ t.to(device) for t in load_tensor(path) ] # 计算正确率的工具函数 def calc_accuracy(actual, predicted): # 把每一位的最大值当作正确字符，然后比对有多少个字符相等 actual_indices = actual.reshape(actual.shape[0], DIGITS, len(ALPHA_NUMS)).max(dim=2).indices predicted_indices = predicted.reshape(predicted.shape[0], DIGITS, len(ALPHA_NUMS)).max(dim=2).indices matched = (actual_indices - predicted_indices).abs().sum(dim=1) == 0 acc = matched.sum().item() / actual.shape[0] return acc # 划分输入和输出的工具函数 def split_batch_xy(batch, begin=None, end=None): # shape = batch_size, channels, width, height batch_x = batch[0][begin:end] # shape = batch_size, num_labels batch_y = batch[1][begin:end] return batch_x, batch_y # 开始训练过程 for epoch in range(1, 10000): print(f"epoch: {epoch}") # 根据训练集训练并修改参数 # 切换模型到训练模式，将会启用自动微分，批次正规化 (BatchNorm) 与 Dropout model.train() training_accuracy_list = [] for batch_index, batch in enumerate(read_batches("data/training_set")): # 切分小批次，有助于泛化模型 training_batch_accuracy_list = [] for index in range(0, batch[0].shape[0], 100): # 划分输入和输出 batch_x, batch_y = split_batch_xy(batch, index, index+100) # 计算预测值 predicted = model(batch_x) # 计算损失 loss = loss_function(predicted, batch_y) # 从损失自动微分求导函数值 loss.backward() # 使用参数调整器调整参数 optimizer.step() # 清空导函数值 optimizer.zero_grad() # 记录这一个批次的正确率，torch.no_grad 代表临时禁用自动微分功能 with torch.no_grad(): training_batch_accuracy_list.append(calc_accuracy(batch_y, predicted)) # 输出批次正确率 training_batch_accuracy = sum(training_batch_accuracy_list) / len(training_batch_accuracy_list) training_accuracy_list.append(training_batch_accuracy) print(f"epoch: {epoch}, batch: {batch_index}: batch accuracy: {training_batch_accuracy}") training_accuracy = sum(training_accuracy_list) / len(training_accuracy_list) training_accuracy_history.append(training_accuracy) print(f"training accuracy: {training_accuracy}") # 检查验证集 # 切换模型到验证模式，将会禁用自动微分，批次正规化 (BatchNorm) 与 Dropout model.eval() validating_accuracy_list = [] for batch in read_batches("data/validating_set"): batch_x, batch_y = split_batch_xy(batch) predicted = model(batch_x) validating_accuracy_list.append(calc_accuracy(batch_y, predicted)) validating_accuracy = sum(validating_accuracy_list) / len(validating_accuracy_list) validating_accuracy_history.append(validating_accuracy) print(f"validating accuracy: {validating_accuracy}") # 记录最高的验证集正确率与当时的模型状态，判断是否在 20 次训练后仍然没有刷新记录 if validating_accuracy > validating_accuracy_highest: validating_accuracy_highest = validating_accuracy validating_accuracy_highest_epoch = epoch save_tensor(model.state_dict(), "model.pt") print("highest validating accuracy updated") elif epoch - validating_accuracy_highest_epoch > 20: # 在 20 次训练后仍然没有刷新记录，结束训练 print("stop training because highest validating accuracy not updated in 20 epoches") break # 使用达到最高正确率时的模型状态 print(f"highest validating accuracy: {validating_accuracy_highest}", f"from epoch {validating_accuracy_highest_epoch}") model.load_state_dict(load_tensor("model.pt")) # 检查测试集 testing_accuracy_list = [] for batch in read_batches("data/testing_set"): batch_x, batch_y = split_batch_xy(batch) predicted = model(batch_x) testing_accuracy_list.append(calc_accuracy(batch_y, predicted)) testing_accuracy = sum(testing_accuracy_list) / len(testing_accuracy_list) print(f"testing accuracy: {testing_accuracy}") # 显示训练集和验证集的正确率变化 pyplot.plot(training_accuracy_history, label="training") pyplot.plot(validating_accuracy_history, label="validing") pyplot.ylim(0, 1) pyplot.legend() pyplot.show() def eval_model(): """使用训练好的模型""" # 创建模型实例，加载训练好的状态，然后切换到验证模式 model = MyModel().to(device) model.load_state_dict(load_tensor("model.pt")) model.eval() # 询问图片路径，并显示可能的分类一览 while True: try: # 构建输入 image_path = input("Image path: ") if not image_path: continue with Image.open(image_path) as img: tensor_in = image_to_tensor(img).to(device).unsqueeze(0) # 维度 C,W,H => 1,C,W,H # 预测输出 tensor_out = model(tensor_in) # 转换到验证码 code = tensor_to_code(tensor_out[0]) print(f"code: {code}") print() except Exception as e: print("error:", e) def main(): """主函数""" if len(sys.argv) < 2: print(f"Please run: {sys.argv[0]} prepare|train|eval") exit() # 给随机数生成器分配一个初始值，使得每次运行都可以生成相同的随机数 # 这是为了让过程可重现，你也可以选择不这样做 random.seed(0) torch.random.manual_seed(0) # 根据命令行参数选择操作 operation = sys.argv[1] if operation == "prepare": prepare() elif operation == "train": train() elif operation == "eval": eval_model() else: raise ValueError(f"Unsupported operation: {operation}") if __name__ == "__main__": main()

使用 diff 生成相差的部分如下：

$ diff -U3 example.py.old example.py @@ -23,6 +23,9 @@ # 标签数量，字母数字混合*位数 NUM_LABELS = len(ALPHA_NUMS)*DIGITS +# 用于启用 GPU 支持 +device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") + class BasicBlock(nn.Module): """ResNet 使用的基础块""" expansion = 1 # 定义这个块的实际出通道是 channels_out 的几倍，这里的实现固定是一倍 @@ -203,7 +206,7 @@ def train(): """开始训练""" # 创建模型实例 - model = MyModel() + model = MyModel().to(device) # 创建损失计算器 # 计算多分类输出最好使用 BCELoss @@ -226,7 +229,7 @@ path = f"{base_path}.{batch}.pt" if not os.path.isfile(path): break - yield load_tensor(path) + yield [ t.to(device) for t in load_tensor(path) ] # 计算正确率的工具函数 def calc_accuracy(actual, predicted): @@ -327,7 +330,7 @@ def eval_model(): """使用训练好的模型""" # 创建模型实例，加载训练好的状态，然后切换到验证模式 - model = MyModel() + model = MyModel().to(device) model.load_state_dict(load_tensor("model.pt")) model.eval() @@ -339,7 +342,7 @@ if not image_path: continue with Image.open(image_path) as img: - tensor_in = image_to_tensor(img).unsqueeze(0) # 维度 C,W,H => 1,C,W,H + tensor_in = image_to_tensor(img).to(device).unsqueeze(0) # 维度 C,W,H => 1,C,W,H # 预测输出 tensor_out = model(tensor_in) # 转换到验证码

可以看到只改动了五个部分，在头部添加了 device 的定义，然后在加载模型和 tensor 对象的时候使用 .to(device) 即可。

简单吧☺️。

那么训练速度相差如何呢？只训练一个 batch 使用 CPU 和 GPU 消耗的时间分别如下 (单位秒)：

CPU: 13.60 GPU: 1.90

差了整整 7 倍😱，，如果是高端的显卡估计可以看到数十倍的差距。

显存占用

如果你想查看训练过程中的显存占用情况，可以使用 nvidia-smi 命令，命令会输出以下的信息：

如果训练过程中出现显存不足，你会看到以下的异常信息：

RuntimeError: CUDA error: out of memory

如果你遇到显存不足的问题，那么可以尝试以下的办法解决，按实用程度排序：

出钱买新显卡🤒 减少训练批次大小 (例如每个批次 100 条数据，减为每个批次 50 条数据）不使用的对象早回收，例如 predicted = None，pytorch 会在对象声明周期结束后自动释放显存计算单值的时候使用 item()，例如 acc_total += acc.item()，但配合 backward 生成运算路径的计算不能用如果你使用桌面 Linux，试试开机的时候添加 rw init=/bin/bash 进入命令行界面再训练，这样可以节省个几百 MB 显存

你可能会好奇为什了 pytorch 可以及时释放显存，这是因为 python 的对象使用了引用计数 (Reference Counted)，GC 基本上只负责回收循环引用的对象，对象的引用计数归 0 的时候 python 会自动调用析构函数，不需要等待 GC。而 NET 和 Java 等语言则无法做到及时回收，除非你每个 tensor 对象都及时的去调用 Dispose 方法，或者使用 tensorflow 来编译静态运算路径然后把生命周期管理工作全部交给框架。这也是使用 Python 的一大好处🥳。

写在最后

这篇本来应该放在最开始，可惜等到现在才有条件写。下一篇文章预计会介绍对象识别模型，包括 RCNN，FasterRCNN 和 YOLO，看看什么时候能出来吧。

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