使用TensorBoard可视化训练过程

一，可视化训练过程

训练过程的可视化在深度学习模型训练中扮演着重要的角色。学习的过程是一个优化的过程，我们需要找到最优的点作为训练过程的输出产物。
希望可视化loss，输入数据（尤其是图片）、模型结构、参数分布等，这些对于我们在debug中查找问题来源非常重要（比如输入数据和我们想象的是否一致）。
TensorBoard作为一款可视化工具能够满足上面提到的各种需求。TensorBoard由TensorFlow团队开发，最早和TensorFlow配合使用，后来广泛应用于各种深度学习框架的可视化中来。

1,安装

在已安装PyTorch的环境下使用pip安装即可，也可以使用PyTorch自带的tensorboard工具，此时不需要额外安装tensorboard。

pip install tensorboardX

2，可视化逻辑

可以将TensorBoard看做一个记录员，它可以记录我们指定的数据，包括模型每一层的feature map，权重，以及训练loss等等。TensorBoard将记录下来的内容保存在一个用户指定的文件夹里，程序不断运行中TensorBoard会不断记录，记录下的内容可以通过网页的形式加以可视化。

3，配置与启动

在使用TensorBoard前，我们需要先指定一个文件夹供TensorBoard保存记录下来的数据。然后调用tensorboard中的SummaryWriter作为上述记录员：

from tensorboardX import SummaryWriter

writer = SummaryWriter('./runs')

上面的操作实例化SummaryWritter为变量writer，并指定writer的输出目录为当前目录下的"runs"目录。也就是说，之后tensorboard记录下来的内容都会保存在runs。

如果使用PyTorch自带的tensorboard，则采用如下方式import：

from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter

是否可以手动往runs文件夹里添加数据用于可视化，或者把runs文件夹里的数据放到其他机器上可视化呢？答案是可以的。只要数据被记录，你可以将这个数据分享给其他人，其他人在安装了tensorboard的情况下就会看到你分享的数据。

启动tensorboard也很简单，在命令行中输入

tensorboard --logdir=/path/to/logs/ --port=xxxx

其中“path/to/logs/“是指定的保存tensorboard记录结果的文件路径（等价于上面的“./runs”，port是外部访问TensorBoard的端口号，可以通过访问ip:port访问tensorboard，这一操作和jupyter notebook的使用类似。如果不是在服务器远程使用的话则不需要配置port。

有时，为了tensorboard能够不断地在后台运行，也可以使用nohup命令或者tmux工具来运行tensorboard。

4，模型结构可视化

首先定义模型结构：

import torch.nn as nn

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=3,out_channels=32,kernel_size = 3)
        self.pool = nn.MaxPool2d(kernel_size = 2,stride = 2)
        self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=32,out_channels=64,kernel_size = 5)
        self.adaptive_pool = nn.AdaptiveMaxPool2d((1,1))
        self.flatten = nn.Flatten()
        self.linear1 = nn.Linear(64,32)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.linear2 = nn.Linear(32,1)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()

    def forward(self,x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.pool(x)
        x = self.conv2(x)
        x = self.pool(x)
        x = self.adaptive_pool(x)
        x = self.flatten(x)
        x = self.linear1(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.linear2(x)
        y = self.sigmoid(x)
        return y

model = Net()
print(model)

输出如下：

Net(
  (conv1): Conv2d(3, 32, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
  (pool): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  (conv2): Conv2d(32, 64, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (adaptive_pool): AdaptiveMaxPool2d(output_size=(1, 1))
  (flatten): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)
  (linear1): Linear(in_features=64, out_features=32, bias=True)
  (relu): ReLU()
  (linear2): Linear(in_features=32, out_features=1, bias=True)
  (sigmoid): Sigmoid()
)

可视化模型的思路就是给定一个输入数据，前向传播后得到模型的结构，再通过TensorBoard进行可视化，使用add_graph：

writer.add_graph(model, input_to_model = torch.rand(1, 3, 224, 224))
writer.close()

结果如下：

5，图像可视化

可视化方法：

• 对于单张图片的显示使用add_image
• 对于多张图片的显示使用add_images
• 有时需要使用torchvision.utils.make_grid将多张图片拼成一张图片后，用writer.add_image显示
  例程：使用torchvision的CIFAR10数据集为例

import torchvision
from torchvision import datasets, transforms
from torch.utils.data import DataLoader

transform_train = transforms.Compose(
    [transforms.ToTensor()])
transform_test = transforms.Compose(
    [transforms.ToTensor()])

train_data = datasets.CIFAR10(".", train=True, download=True, transform=transform_train)
test_data = datasets.CIFAR10(".", train=False, download=True, transform=transform_test)
train_loader = DataLoader(train_data, batch_size=64, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_data, batch_size=64)

images, labels = next(iter(train_loader))
 
# 仅查看一张图片
writer = SummaryWriter('./pytorch_tb')
writer.add_image('images[0]', images[0])
writer.close()
 
# 将多张图片拼接成一张图片，中间用黑色网格分割
# create grid of images
writer = SummaryWriter('./pytorch_tb')
img_grid = torchvision.utils.make_grid(images)
writer.add_image('image_grid', img_grid)
writer.close()
 
# 将多张图片直接写入
writer = SummaryWriter('./pytorch_tb')
writer.add_images("images",images,global_step = 0)
writer.close()

6，连续变量可视化

TensorBoard可以用来可视化连续变量（或时序变量）的变化过程，通过add_scalar实现：

writer = SummaryWriter('./pytorch_tb')
for i in range(500):
    x = i
    y = x**2
    writer.add_scalar("x", x, i) #日志中记录x在第step i 的值
    writer.add_scalar("y", y, i) #日志中记录y在第step i 的值
writer.close()

如果想在同一张图中显示多个曲线，则需要分别建立存放子路径（使用SummaryWriter指定路径即可自动创建，但需要在tensorboard运行目录下），同时在add_scalar中修改曲线的标签使其一致即可：

writer1 = SummaryWriter('./pytorch_tb/x')
writer2 = SummaryWriter('./pytorch_tb/y')
for i in range(500):
    x = i
    y = x*2
    writer1.add_scalar("same", x, i) #日志中记录x在第step i 的值
    writer2.add_scalar("same", y, i) #日志中记录y在第step i 的值
writer1.close()
writer2.close()

7，参数分布可视化

当我们需要对参数（或向量）的变化，或者对其分布进行研究时，可以方便地用TensorBoard来进行可视化，通过add_histogram实现。下面给出一个例子

import torch
import numpy as np

# 创建正态分布的张量模拟参数矩阵
def norm(mean, std):
    t = std * torch.randn((100, 20)) + mean
    return t
 
writer = SummaryWriter('./pytorch_tb/')
for step, mean in enumerate(range(-10, 10, 1)):
    w = norm(mean, 1)
    writer.add_histogram("w", w, step)
    writer.flush()
writer.close()

8，服务器端使用TensorBoard

一般情况下，我们会连接远程的服务器来对模型进行训练，但由于服务器端是没有浏览器的（纯命令模式），因此，我们需要进行相应的配置，才可以在本地浏览器，使用tensorboard查看服务器运行的训练过程。 本文提供以下几种方式进行，其中前两种方法都是建立SSH隧道，实现远程端口到本机端口的转发，最后一种方法适用于没有下载Xshell等SSH连接工具的用户。
MobaXterm：
在MobaXterm点击Tunneling
选择New SSH tunnel，我们会出现以下界面

1，对新建的SSH通道做以下设置，第一栏我们选择Local port forwarding，< Remote Server>我们填写localhost，< Remote port>填写6006，tensorboard默认会在6006端口进行显示，我们也可以根据 tensorboard --logdir=/path/to/logs/ --port=xxxx的命令中的port进行修改，< SSH server> 填写我们连接服务器的ip地址，填写我们连接的服务器的用户名，填写端口号（通常为22），< forwarded port>填写的是本地的一个端口号，以便我们后面可以对其进行访问。

2，设定好之后，点击Save，然后Start。在启动tensorboard，这样我们就可以在本地的浏览器输入http://localhost:6006/对其进行访问了

xshell:
1,Xshell的连接方法与MobaXterm的连接方式本质上是一样的，具体操作如下：
2,连接上服务器后，打开当前会话属性，会出现下图，我们选择隧道，点击添加

3,按照下方图进行选择，其中目标主机代表的是服务器，源主机代表的是本地，端口的选择根据实际情况而定。
4,启动tensorboard，在本地127.0.0.1:6006 或者 localhost:6006进行访问
SSL:
1,该方法是将服务器的6006端口重定向到自己机器上来，我们可以在本地的终端里输入以下代码：其中16006代表映射到本地的端口，6006代表的是服务器上的端口

ssh -L 16006:127.0.0.1:6006 [email protected]_server_ip

2,在服务上使用默认的6006端口正常启动tensorboard

tensorboard --logdir=xxx --port=6006

3,在本地的浏览器输入地址

127.0.0.1:16006 或者 localhost:16006

其实TensorBoard的逻辑还是很简单的，它的基本逻辑就是文件的读写逻辑，写入想要可视化的数据，然后TensorBoard自己会读出来。

注：本文参与DataWhale-深入浅出pytorch小组学习项目！