【一】AI Studio 项目详解【(一)VisualDL工具、环境使用说明、脚本任务、图形化任务、在线部署及预测】PARL

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一、AI Studio 项目详解【VisualDL工具】

二、AI Studio 项目详解【环境使用说明、脚本任务】

三、AI Studio 项目详解【分布式训练-单机多机】

四、AI Studio 项目详解【图形化任务】

五、AI Studio 项目详解【在线部署及预测】

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AI Studio 项目详解【VisualDL工具】

1.VisualDL工具

VisualDL是一个面向深度学习任务设计的可视化工具。VisualDL 利用了丰富的图表来展示数据，用户可以更直观、清晰地查看数据的特征与变化趋势，有助于分析数据、及时发现错误，进而改进神经网络模型的设计。喜欢的同学可以去star支持一下哦~

AI Studio Notebook 项目（Paddle1.8.0及以上版本）已经集成VisualDL工具以便于您的使用，可在可视化tab中启动VisualDL服务。

VisualDL 支持 scalar, image, audio, graph, histogram, pr curve, high dimensional 七个组件。

1.2 Al Studio操作说明

详细操作链接：https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/1739945

Step1 训练代码中增加 Loggers 来记录不同种类的数据. 注意我们的logdir = "./log", 即需要把log目录放到/home/aistudio/log.

from visualdl import LogWriter

if __name__ == '__main__':
    value = [i/1000.0 for i in range(1000)]
    # 初始化一个记录器
    with LogWriter(logdir="./log/scalar_test/train") as writer:

Step2 训练过程中插入数据打点语句，将结果储存至日志文件中

for step in range(1000):
            # 向记录器添加一个tag为`acc`的数据
            writer.add_scalar(tag="acc", step=step, value=value[step])
            # 向记录器添加一个tag为`loss`的数据
            writer.add_scalar(tag="loss", step=step, value=1/(value[step] + 1))

Step3 切换到「可视化」页签，指定日志文件与模型文件（不指定日志文件无法启动VisualDL）

1. 创建日志文件LogWriter，设置实验结果存放路径，默认上一级路径为'./home/aistudio'
2. 训练过程中插入数据打点语句，将结果储存至日志文件中
3. 切换到「可视化」页签，指定日志文件与模型文件（不指定日志文件无法启动VisualDL）

• 选择日志文件 （适用于scalar, image, histogram, pr curve, high dimensional五种组件）

 

可以选择多个，后缀为log的文件。

• 选择模型文件（适用于graph）

     

• *注意：VisualDL启动中不可删除或替换日志/模型文件；日志文件可多选，模型文件一次只能上传一个，且模型文件暂只支持模型网络结构，不支持展示各层参数。

具体码源编写情况见链接：https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/1739945

训练网络并使用VisualDL2.0可视化训练过程

• 创建LeNet日志文件：

writer = LogWriter("./log/lenet")

• 训练过程中插入作图语句，展示accuracy和loss的变化趋势：

writer.add_scalar(tag="train/loss", step=step, value=cost)

writer.add_scalar(tag="train/acc", step=step, value=accuracy)

• 创建多组子日志文件，以相同tag名记录同一类参数，实现多组实验对比：

writer=LogWriter('paddle_lenet_log/lr0.001')

writer1=LogWriter('paddle_lenet_log/lr0.01')

writer2=LogWriter('paddle_lenet_log/lr0.05')

writer3=LogWriter('paddle_lenet_log/lr0.1')

writer.add_scalar(tag="train/loss", step=step, value=cost)

writer.add_scalar(tag="train/acc", step=step, value=accuracy)

writer1.add_scalar(tag="train/loss", step=step, value=cost)

writer1.add_scalar(tag="train/acc", step=step, value=accuracy)

writer2.add_scalar(tag="train/loss", step=step, value=cost)

writer2.add_scalar(tag="train/acc", step=step, value=accuracy)

writer3.add_scalar(tag="train/loss", step=step, value=cost)

writer3.add_scalar(tag="train/acc", step=step, value=accuracy)

• 记录每一批次中的第一张图片：

img = np.reshape(batch[0][0], [28, 28, 1]) * 255

writer.add_image(tag="train/input", step=step, img=img)

• 记录训练过程中每一层网络权重（weight）、偏差（bias）的变化趋势：

writer.add_histogram(tag='train/{}'.format(param), step=step, values=values)

• 记录分类效果--precision & recall曲线：

writer.add_pr_curve(tag='train/class_{}_pr_curve'.format(i),
                     labels=label_i,
                     predictions=prediction_i,
                     step=step,
                     num_thresholds=20)

• 保存模型结构：

fluid.io.save_inference_model(dirname='./model', feeded_var_names=['img'],target_vars=[predictions], executor=exe)

1.3 Scalar-标量组件

Scalar 组件的输入数据类型为标量，该组件的作用是将训练参数以折线图形式呈现。将损失函数值、准确率等标量数据作为参数传入 scalar 组件，即可画出折线图，便于观察变化趋势。

        记录接口

Scalar 组件的记录接口如下：

add_scalar(tag, value, step, walltime=None)

接口参数说明如下：

*注意tag的使用规则为：

1. 第一个/前的为父tag，并作为一栏图片的tag
2. 第一个/后的为子tag，子tag的对应图片将显示在父tag下
3. 可以使用多次/，但一栏图片的tag依旧为第一个/前的tag

• 创建train为父tag，acc和loss为子tag：train/acc、 train/loss，即创建了tag为train的图片栏，包含acc和loss两张图片：

• 创建train为父tag，test/acc和test/loss为子tag：train/test/acc、 train/test/loss，即创建了tag为train的图片栏，包含test/acc和test/loss两张图片：

• 创建两个父tag：acc、 loss，即创建了tag分别为acc和loss的两个图片栏：：

举例demo基础使用：

from visualdl import LogWriter

if __name__ == '__main__':
    value = [i/1000.0 for i in range(1000)]
    # 初始化一个记录器
    with LogWriter(logdir="./log/scalar_test/train") as writer:
        for step in range(1000):
            # 向记录器添加一个tag为`acc`的数据
            writer.add_scalar(tag="acc", step=step, value=value[step])
            # 向记录器添加一个tag为`loss`的数据
            writer.add_scalar(tag="loss", step=step, value=1/(value[step] + 1))

• 多组实验对比

下面展示了使用Scalar组件实现多组实验对比

多组实验对比的实现分为两步：

1. 创建子日志文件储存每组实验的参数数据
2. 将数据写入scalar组件时，使用相同的tag，即可实现对比不同实验的同一类型参数

from visualdl import LogWriter

if __name__ == '__main__':
    value = [i/1000.0 for i in range(1000)]
    # 步骤一：创建父文件夹：log与子文件夹：scalar_test
    with LogWriter(logdir="./log/scalar_test") as writer:
        for step in range(1000):
            # 步骤二：向记录器添加一个tag为`train/acc`的数据
            writer.add_scalar(tag="train/acc", step=step, value=value[step])
            # 步骤二：向记录器添加一个tag为`train/loss`的数据
            writer.add_scalar(tag="train/loss", step=step, value=1/(value[step] + 1))
    # 步骤一：创建第二个子文件夹scalar_test2
    value = [i/500.0 for i in range(1000)]
    with LogWriter(logdir="./log/scalar_test2") as writer:
        for step in range(1000):
            # 步骤二：在同样名为`train/acc`下添加scalar_test2的accuracy的数据
            writer.add_scalar(tag="train/acc", step=step, value=value[step])
            # 步骤二：在同样名为`train/loss`下添加scalar_test2的loss的数据
            writer.add_scalar(tag="train/loss", step=step, value=1/(value[step] + 1))

运行上述程序后，点击可视化选择相应日志文件即可查看以下折线图，观察scalar_test和scalar_test2的accuracy和loss的对比。

• 支持数据卡片「最大化」、「还原」、「坐标系转化」（y轴对数坐标）、「下载」折线图

可进行数据流选择

• X轴有三种衡量尺度

1. Step：迭代次数
2. Walltime：训练绝对时间
3. Relative：训练时长

1.4 lmage-图片可视化组件

Image 组件用于显示图片数据随训练的变化。在模型训练过程中，将图片数据传入 Image 组件，就可在 VisualDL 的前端网页查看相应图片。

记录接口

Image 组件的记录接口如下：

add_image(tag, img, step, walltime=None)

接口参数说明如下：

import numpy as np
from PIL import Image
from visualdl import LogWriter

def random_crop(img):
    """获取图片的随机 100x100 分片
    """
    img = Image.open(img)
    w, h = img.size
    random_w = np.random.randint(0, w - 100)
    random_h = np.random.randint(0, h - 100)
    r = img.crop((random_w, random_h, random_w + 100, random_h + 100))
    return np.asarray(r)

if __name__ == '__main__':
    # 初始化一个记录器
    with LogWriter(logdir="./log/image_test/train") as writer:
        for step in range(6):
            # 添加一个图片数据
            writer.add_image(tag="eye",
                             img=random_crop("../../docs/images/eye.jpg"),
                             step=step)

1.5 Audio--音频播放组件

Audio组件实时查看训练过程中的音频数据，监控语音识别与合成等任务的训练过程。

记录接口

Audio 组件的记录接口如下：

add_audio(tag, audio_array, step, sample_rate)

接口参数说明如下：

from visualdl import LogWriter
import numpy as np
import wave

def read_audio_data(audio_path):
    """
    Get audio data.
    """
    CHUNK = 4096
    f = wave.open(audio_path, "rb")
    wavdata = []
    chunk = f.readframes(CHUNK)
    while chunk:
        data = np.frombuffer(chunk, dtype='uint8')
        wavdata.extend(data)
        chunk = f.readframes(CHUNK)
    # 8k sample rate, 16bit frame, 1 channel
    shape = [8000, 2, 1]
    return shape, wavdata

if __name__ == '__main__':
    with LogWriter(logdir="./log") as writer:
        audio_shape, audio_data = read_audio_data("./testing.wav")
        audio_data = np.array(audio_data)
        writer.add_audio(tag="audio_tag",
                         audio_array=audio_data,
                         step=0,
                         sample_rate=8000)

1.6 Graph--网络结构组件

Graph组件一键可视化模型的网络结构。用于查看模型属性、节点信息、节点输入输出等，并进行节点搜索，协助开发者们快速分析模型结构与了解数据流向。

在生成Model文件后，在可视化模块中选择模型文件，启动后即可查看网络结构可视化：

• 支持模型格式：PaddlePaddle、ONNX、Keras、Core ML、Caffe、Caffe2、Darknet、MXNet、ncnn、TensorFlow Lite
• 实验性支持模型格式：TorchScript、PyTorch、Torch、 ArmNN、BigDL、Chainer、CNTK、Deeplearning4j、MediaPipe、ML.NET、MNN、OpenVINO、Scikit-learn、Tengine、TensorFlow.js、TensorFlow

1.7 Histogram--直方图组件

Histogram组件以直方图形式展示Tensor（weight、bias、gradient等）数据在训练过程中的变化趋势。深入了解模型各层效果，帮助开发者精准调整模型结构。

记录接口

Histogram 组件的记录接口如下：

add_histogram(tag, values, step, walltime=None, buckets=10)

接口参数说明如下：

from visualdl import LogWriter
import numpy as np

if __name__ == '__main__':
    values = np.arange(0, 1000)
    with LogWriter(logdir="./log/histogram_test/train") as writer:
        for index in range(1, 101):
            interval_start = 1 + 2 * index / 100.0
            interval_end = 6 - 2 * index / 100.0
            data = np.random.uniform(interval_start, interval_end, size=(10000))
            writer.add_histogram(tag='default tag',
                                 values=data,
                                 step=index,
                                 buckets=10)

可选择Offset或Overlay模式

  

数据点Hover展示参数值、训练步数、频次

• 在第240次训练步数时，权重为-0.0031，且出现的频次是2734次

1.8 PR Curve--PR曲线组件

PR Curve以折线图形式呈现精度与召回率的权衡分析，清晰直观了解模型训练效果，便于分析模型是否达到理想标准。

记录接口

PR Curve组件的记录接口如下：

add_pr_curve(tag, labels, predictions, step=None, num_thresholds=10)

接口参数说明如下：

from visualdl import LogWriter
import numpy as np

with LogWriter("./log/pr_curve_test/train") as writer:
    for step in range(3):
        labels = np.random.randint(2, size=100)
        predictions = np.random.rand(100)
        writer.add_pr_curve(tag='pr_curve',
                            labels=labels,
                            predictions=predictions,
                            step=step,
                            num_thresholds=5)

数据点Hover展示详细信息：阈值对应的TP、TN、FP、FN

其中，列对应于实例实际所属的类别，行表示分类预测的类别。

• TP（True Positive）：指正确分类的正样本数，即预测为正样本，实际也是正样本。
• FP（False Positive）：指被错误的标记为正样本的负样本数，即实际为负样本而被预测为正样本，所以是False。
• TN（True Negative）：指正确分类的负样本数，即预测为负样本，实际也是负样本。
• FN（False Negative）：指被错误的标记为负样本的正样本数，即实际为正样本而被预测为负样本，所以是False。
• TP+FP+TN+FN：样本总数。
• TP+FN：实际正样本数。
• TP+FP：预测结果为正样本的总数，包括预测正确的和错误的。
• FP+TN：实际负样本数。
• TN+FN：预测结果为负样本的总数，包括预测正确的和错误的

1.9 High Dimensional-数据降维组件

High Dimensional 组件将高维数据进行降维展示，用于深入分析高维数据间的关系。目前支持以下两种降维算法：

• PCA : Principle Component Analysis 主成分分析
• t-SNE : t-distributed stochastic neighbor embedding t-分布式随机领域嵌入

记录接口

High Dimensional 组件的记录接口如下：

add_embeddings(tag, labels, hot_vectors, walltime=None)

from visualdl import LogWriter

if __name__ == '__main__':
    hot_vectors = [
        [1.3561076367500755, 1.3116267195134017, 1.6785401875616097],
        [1.1039614644440658, 1.8891609992484688, 1.32030488587171],
        [1.9924524852447711, 1.9358920727142739, 1.2124401279391606],
        [1.4129542689796446, 1.7372166387197474, 1.7317806077076527],
        [1.3913371800587777, 1.4684674577930312, 1.5214136352476377]]

    labels = ["label_1", "label_2", "label_3", "label_4", "label_5"]
    # 初始化一个记录器
    with LogWriter(logdir="./log/high_dimensional_test/train") as writer:
        # 将一组labels和对应的hot_vectors传入记录器进行记录
        writer.add_embeddings(tag='default',
                              labels=labels,
                              hot_vectors=hot_vectors)

参考链接：https://ai.baidu.com/ai-doc/AISTUDIO/Dk3e2vxg9