2023年11月18日~11月24日周报(调试OpenFWI代码)

news2024/11/14 21:57:06

目录

一、前言

二、完成情况

2.1 OpenFWI工程文件框架的理解

2.2 InversionNet网络的理解

2.3 dataset.py的理解

三、遇到的部分问题及解决

3.1 数据读取

3.2 Dataloader中设置num_workers-MemoryError

3.3 RuntimeError: CUDA out of memory

3.4 loss值的变化

四、相关参考

五、总结

5.1 存在的疑惑

5.2 下周计划


一、前言

        上周学习OpenFWI的部分代码并完成了Dataset的重写。

        本周计划抄写OpenFWI代码中的InversionNet网络相关部分并理解。

二、完成情况

2.1 OpenFWI工程文件框架的理解

        OpenFWI中包含的文件如下:

  1. data_files:存放数据集(包括训练集与测试集)
  2. dataset.py:数据加载
  3. dataset_config.json:数据加载相关参数设置
  4. network.py:网络的定义(其中包含三个网络—接下来的文章中只介绍InversionNet相关代码)
  5. pytorch_ssim:SSIM包
  6. rainbow256.npy
  7. scheduler.py:学习率的调整
  8. test.py:进行测试
  9. train.py:进行一般网络的训练
  10. transforms.py:数据转换,对数据进行处理
  11. utils.py:loss定义与评价指标
  12. vis.py:地震数据与速度模型的可视化展示

2.2 InversionNet网络的理解

        InversionNet网络的理解:网络框架学习之InversionNet-CSDN博客

        InversionNet(深度学习实现的反演)构建了一个具有编码器-解码器结构的卷积神经网络,用以模拟地震数据与地下速度结构之间的对应关系。

        网络搭建如下:

class InversionNet(nn.Module):
    def __init__(self, dim1=32, dim2=64, dim3=128, dim4=256, dim5=512, **kwargs):
        '''
        Network architecture of InversionNet
        :param dim1:            Number of channels in the 1st layer
        :param dim2:            Number of channels in the 2nd layer
        :param dim3:            Number of channels in the 3rd layer
        :param dim4:            Number of channels in the 4th layer
        :param dim5:            Number of channels in the 5th layer
        :param sample_spatial:  Scale parameters for sampling in space
        '''
        super(InversionNet, self).__init__()
        # ConvBlock中进行了封装,包括二维的卷积操作、批归一化BN以及Relu三个操作
        self.convblock1 = ConvBlock(5, dim1, kernel_size=(7, 1), stride=(2, 1), padding=(3, 0))
        self.convblock2_1 = ConvBlock(dim1, dim2, kernel_size=(3, 1), stride=(2, 1), padding=(1, 0))
        self.convblock2_2 = ConvBlock(dim2, dim2, kernel_size=(3, 1), padding=(1, 0))
        self.convblock3_1 = ConvBlock(dim2, dim2, kernel_size=(3, 1), stride=(2, 1), padding=(1, 0))
        self.convblock3_2 = ConvBlock(dim2, dim2, kernel_size=(3, 1), padding=(1, 0))
        self.convblock4_1 = ConvBlock(dim2, dim3, kernel_size=(3, 1), stride=(2, 1), padding=(1, 0))
        self.convblock4_2 = ConvBlock(dim3, dim3, kernel_size=(3, 1)
        self.convblock5_1 = ConvBlock(dim3, dim3, stride=2)
        self.convblock5_2 = ConvBlock(dim3, dim3)
        self.convblock6_1 = ConvBlock(dim3, dim4, stride=2)
        self.convblock6_2 = ConvBlock(dim4, dim4)
        self.convblock7_1 = ConvBlock(dim4, dim4, stride=2)
        self.convblock7_2 = ConvBlock(dim4, dim4)
        self.convblock8 = ConvBlock(dim4, dim5, kernel_size=(8, math.ceil(70 * 1.0 / 8)), padding=0)
        self.deconv1_1 = DeconvBlock(dim5, dim5, kernel_size=5)
        self.deconv1_2 = ConvBlock(dim5, dim5)
        self.deconv2_1 = DeconvBlock(dim5, dim4, kernel_size=4, stride=2, padding=1)
        self.deconv2_2 = ConvBlock(dim4, dim4)
        self.deconv3_1 = DeconvBlock(dim4, dim3, kernel_size=4, stride=2, padding=1)
        self.deconv3_2 = ConvBlock(dim3, dim3)
        self.deconv4_1 = DeconvBlock(dim3, dim2, kernel_size=4, stride=2, padding=1)
        self.deconv4_2 = ConvBlock(dim2, dim2)
        self.deconv5_1 = DeconvBlock(dim2, dim1, kernel_size=4, stride=2, padding=1)
        self.deconv5_2 = ConvBlock(dim1, dim1)
        self.deconv6 = ConvBlock_Tanh(dim1, 1)

2.3 dataset.py的理解

# 重写Dataset
class FWIDataset(Dataset):
    ''' FWI dataset
    For convenience, in this class, a batch refers to a npy file instead of the batch used during training.
    Args:
        anno: path to annotation file # 注释文件的路径
        train: whether to load the whole dataset into memory  # 是否将整个数据集加载到内存中
        sample_ratio: downsample ratio for seismic data # 地震数据的下采样率
        file_size: of samples in each npy file # 每个npy文件中的样本数
        transform_data|label: transformation applied to data or label # 数据或标签的转换
    '''
    # 初始化函数:加载数据—初始化文件路径与文件名列表,完成初始化该类的一些基本参数
    def __init__(self, anno, preload=True, sample_ratio=1, file_size=500, transform_data=None, transform_label=None):
        # 判断文件路径是否存在
        if not os.path.exists(anno):
            print(f'Annotation file {anno} does not exists')

        # 对继承自父类Dataset的属性进行初始化
        super(FWIDataset, self).__init__()
        self.preload = preload
        self.sample_ratio = sample_ratio
        self.file_size = file_size
        self.transform_data = transform_data
        self.transform_label = transform_label

        # 以“只读”的方式打开文件,默认文件访问模式为“r”
        with open(anno, 'r') as f:
            # 读取所有行并返回列表(列表可由for...in...结构进行处理)
            self.batches = f.readlines()

        # 判断是否需要将整个数据集加载到内存中
        if preload:
            self.data_list, self.label_list = [], []
            # 循环加载数据
            for batch in self.batches:
                # 读取每个batch中的数据与标签
                data, label = self.load_every(batch)
                # 将data添加到列表中
                self.data_list.append(data)
                if label is not None:
                    self.label_list.append(label)

    # Load from one line
    def load_every(self, batch):
        # \t :表示空4个字符,类似于文档中的缩进功能,相当于按一个Tab键(txt文件需要根据这个进行分隔)
        # split():通过置顶分隔符对字符串进行切片,并返回分割后的字符串列表(list)
        # os.path.split():按照路径将文件名和路径分割开
        batch = batch.split('\t')
        # 切片:除最后一个全取
        data_path = batch[0] if len(batch) > 1 else batch[0][:-1]
        # np.load():读取数据
        data = np.load(data_path)[:, :, ::self.sample_ratio, :]
        # astype():转换数据的类型
        data = data.astype('float32')
        if len(batch) > 1:
            label_path = batch[1][:-1]
            label = np.load(label_path)
            label = label.astype('float32')
        else:
            label = None

        # 返回数据与标签
        return data, label

    # 对数据进行预处理并返回想要的信息
    def __getitem__(self, idx): # 按照索引读取每个元素的具体内容
        # //:向下取整
        batch_idx, sample_idx = idx // self.file_size, idx % self.file_size
        if self.preload:
            data = self.data_list[batch_idx][sample_idx]
            label = self.label_list[batch_idx][sample_idx] if len(self.label_list) != 0 else None
        else:
            data, label = self.load_every(self.batches[batch_idx])
            data = data[sample_idx]
            label = label[sample_idx] if label is not None else None

        if self.transform_data:
            # 将数据标签转换为Tensor
            data = self.transform_data(data)

        if self.transform_label and label is not None:
            label = self.transform_label(label)

        # return回哪些内容,那么我们在训练时循环读取每个batch时,就能获得哪些内容
        return data, label if label is not None else np.array([])

    # 初始化一些需要传入的参数及数据集的调用
    def __len__(self):
        # 返回的是数据集的长度,也就是多少张图片,要和loader的长度作区分
        return len(self.batches) * self.file_size

三、遇到的部分问题及解决

3.1 数据读取

        问题描述:在文件读取的时候,提示需要读取的文件不存在,但是txt文件中的路径没有错误。

        解决方式:在文件结尾处多加了一个“y”得以解决。

        思考:考虑在代码中对文件读取的部分出现了错误(待处理)。

3.2 Dataloader中设置num_workers-MemoryError

        问题描述:Dataloader中出现MemoryError错误。

        解决方式:将num_worker设置为0。

        思考:num_workers参数:用于指定执行数据加载的子进程个数,当该值为0时仅使用主进程进行数据集加载工作,而当该值大于0时,则会创建对应数量的子进程负责相关的数据集加载工作。

        可能报错原因:有其他代码正在运行,导致内存不足,无法正常完成训练,可以在运行程序的时候查看CPU的内存利用率(下次尝试一下单独运行代码)。

3.3 RuntimeError: CUDA out of memory

        问题描述:运行train.py文件,出现RuntimeError: CUDA out of memory

        可能原因:

  1. batch_size设置太大;
  2. 有数据持续存入GPU而未被释放;
  3. 有其他代码正在运行;

        CUDA CPU显存管理总结:

  • GPU显存占用率和存入的数据尺寸成正相关,越大的数据占用显存越多
  • 只要使用了GPU,至少会占 x M的显存,且这部分显存无法被释放
  • 当一块内存不再被变量所引用时,这块内存由激活内存转为失活内存,但仍然存在于这个数据队列中,当数据队列达到某个阈值时,CUDA会触发垃圾回收机制,清理失活内存
  • 运行torch.cuda.empty_cache()可以手动清理失活内存

        可尝试的解决方法:

        方法一:调整batch_size的大小:一般设置为4能够解决问题,若还是报错,则尝试其他方法;

        方法二:在报错的部分插入代码,手动清理失活内存:

import torch,gc
gc.collect()
torch.cuda.empty_cache()

        方法三: 在测试与训练阶段前插入代码with torch.no_grad(),如下所示:

def train(model, criterion, dataloader, device, writer):
    model.eval()
    # 梯度清零
    with torch.no_grad():
        for data, label in metric_logger.log_every(dataloader, 20, header):
            ......

(1)关于Python中的with:

  • with 语句适用于对资源进行访问的场合,确保使用过程中是否发生异常都会执行必要的“清理”操作,释放资源,如文件使用后自动关闭/线程中锁的自动获取和释放等。

(2)torch.no_grad():

  • 在pytorch中,tensor有一个requires_grad参数,若设置为True,则反向传播时,该tensor就会自动求导。requires_grad的属性默认为False,若一个节点(叶子变量:自己创建的tensor)requires_grad被设置为True,那么所有依赖它的节点requires_grad都为True(即使其他相依赖的tensor的requires_grad = False)。
  • 当设置为False时,反向传播时不会自动求导,极大程度上节约了显存或者说内存。

(3)with torch.no_grad():

  • 在该模块下,所有计算得出的tensor的requires_grad都自动设置为False。

3.4 loss值的变化

四、相关参考

        (1)Windows环境下Pytorch由Datalodaer设置num_workers大于1导致的异常错误及解决方式&重复运行:Windows环境下Pytorch由Datalodaer设置num_workers大于1导致的异常错误及解决方式&重复运行_numworkers设置高了会报错_叶怀生的博客-CSDN博客

        (2)探究CUDA out of memory背后原因,如何释放GPU显存:【已解决】探究CUDA out of memory背后原因,如何释放GPU显存?_cuda清理指定gpu内存-CSDN博客

        (3)with torch.no_grad()用法详解:【pytorch系列】 with torch.no_grad():用法详解-CSDN博客

        (4)Python中 with open(file_abs,'r') as f: 的用法以及意义:Python中 with open(file_abs,'r') as f: 的用法以及意义-CSDN博客 

        (5)split()函数的用法:split()函数的用法_split()函数用法-CSDN博客

五、总结

5.1 存在的疑惑

  1. 如何检查有数据持续存入GPU未被释放?
  2. loss值的变化?
  3. 数据加载“y”问题的解决?

5.2 下周计划

        下周继续完成OpenFWI代码的抄写,在抄写过程中带着疑问去理解与学习,希望有不一样的收获。

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