用OneFlow實現基於U型網路的ISBI細胞分割任務
目錄 1.簡介 2.網路架構 3.資料和程式準備 4.使用步驟 5.單機單卡訓練方式 6.單機多卡訓練方式(DDP) 7.視覺化實驗結果 8.小結
撰文 | 李響
1
簡介
對於熟悉 PyTorch 的使用者(比如我),可以快速上手 OneFlow,非常絲滑。 本文基於OneFlow和U-Net實現ISBI挑戰賽的細胞分割,程式碼包括單機單卡和單機多卡兩種訓練方式。其中,單機多卡的訓練 是藉助 oneflow.nn.parallel.DistributedDataParallel
模組及 launcher
做的資料並行。
此外,由於我目前在OneFlow做一名演算法實習生,本文更多以一個初次接觸OneFlow框架的使用者角度進行分析,包括API、分散式訓練能力、高效能和我的一些實習感受(:eyes:)。
ISBI細胞分割任務:給一張細胞結構圖,對邊緣輪廓進行二分類,如下動圖所示。

512x512
,這些圖片是果蠅的電鏡細胞圖。
2
網路架構
U-Net網路架構如下圖所示。它由一個收縮路徑和一個擴充套件路徑組成,收縮路徑遵循卷積網路的典型架構。它包括重複使用兩個 3x3 卷積,每個卷積後跟一個線性修正單元(ReLU)和一個2x2最大池化操作,步長為2的下采樣。
在每個下采樣步驟中,我們將特徵通道的數量加倍。擴充套件路徑中的每一步都包括特徵對映的上取樣,然後進行 2x2 向上卷積,將特徵通道數量減半,與來自收縮路徑的相應裁剪特徵對映串聯。然後是兩個3x3卷積,每個卷積後面接ReLU。由於每一次卷積都會丟失邊界畫素,因此裁剪是必要的。在最後一層,使用1x1卷積將每個分量特徵向量對映到所需數量的類別(2類)上。網路總共有23個卷積層。
根據上面的網路結構,使用OneFlow實現U型網路結構程式碼如下:
"""
Creates a U-Net Model as defined in:
U-Net: Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation
https://arxiv.org/abs/1505.04597
Modified from https://github.com/milesial/Pytorch-UNet
import oneflow as flow
import oneflow.nn as nn
import oneflow.nn.functional as F
class DoubleConv(nn.Module) :
"""(convolution => [BN] => ReLU) * 2"""
def __init__ (self, in_channels, out_channels) :
super().__init__()
self.double_conv = nn.Sequential(
nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size= 3 , padding= 1 ),
nn.BatchNorm2d(out_channels),
nn.ReLU(inplace= True ),
nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size= 3 , padding= 1 ),
nn.BatchNorm2d(out_channels),
nn.ReLU(inplace= True ),
)
def forward (self, x) :
return self.double_conv(x)
class Down(nn.Module) :
"""Downscaling with maxpool then double conv"""
def __init__ (self, in_channels, out_channels) :
super().__init__()
self.maxpool_conv = nn.Sequential(
nn.MaxPool2d( 2 ), DoubleConv(in_channels, out_channels)
)
def forward (self, x) :
return self.maxpool_conv(x)
class Up(nn.Module) :
"""Upscaling then double conv"""
def __init__ (self, in_channels, out_channels, bilinear=True) :
super().__init__()
# if bilinear, use the normal convolutions to reduce the number of channels
if bilinear:
self.up = nn.Upsample(scale_factor= 2 , mode= "bilinear" , align_corners= True )
else :
self.up = nn.ConvTranspose2d(
in_channels, out_channels, kernel_size= 2 , stride= 2
)
self.conv = DoubleConv(in_channels, out_channels)
def forward (self, x1, x2) :
x1 = self.up(x1)
# input is CHW
diffY = x2.size()[ 2 ] - x1.size()[ 2 ]
diffX = x2.size()[ 3 ] - x1.size()[ 3 ]
x1 = F.pad(x1, (diffX // 2 , diffX - diffX // 2 , diffY // 2 , diffY - diffY // 2 ))
x = flow.cat([x2, x1], dim= 1 )
return self.conv(x)
class OutConv(nn.Module) :
def __init__ (self, in_channels, out_channels) :
super(OutConv, self).__init__()
self.conv = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size= 1 )
def forward (self, x) :
return self.conv(x)
class UNet(nn.Module) :
def __init__ (self, n_channels, n_classes, bilinear=True) :
super(UNet, self).__init__()
self.n_channels = n_channels
self.n_classes = n_classes
self.bilinear = bilinear
self.inc = DoubleConv(n_channels, 64 )
self.down1 = Down( 64 , 128 )
self.down2 = Down( 128 , 256 )
self.down3 = Down( 256 , 512 )
self.down4 = Down( 512 , 1024 )
self.up1 = Up( 1024 , 512 , bilinear)
self.up2 = Up( 512 , 256 , bilinear)
self.up3 = Up( 256 , 128 , bilinear)
self.up4 = Up( 128 , 64 , bilinear)
self.outc = OutConv( 64 , n_classes)
def forward (self, x) :
x1 = self.inc(x)
x2 = self.down1(x1)
x3 = self.down2(x2)
x4 = self.down3(x3)
x5 = self.down4(x4)
x = self.up1(x5, x4)
x = self.up2(x, x3)
x = self.up3(x, x2)
x = self.up4(x, x1)
logits = self.outc(x)
return logits
3
資料和程式準備
原始資料:首先準備資料,參考資料來自於 ISBI 挑戰的資料集。資料可以在本倉庫 ( https://github.com/Oneflow-Inc/models/tree/main/Vision/segmentation/U-Net )下載到,含30張訓練圖、30張對應的標籤。30張測試圖片。
增強後的資料 :谷歌雲盤( https://drive.google.com/drive/folders/0BzWLLyI3R0pLclMzMzRxUm1qZmc )
以上資料二選一。
程式碼連結: https://github.com/Oneflow-Inc/models/tree/main/Vision/segmentation/U-Net
該程式目錄如下:
dataloader.py//載入資料
plot.py//繪製loss曲線
TrainUnetDataSet.py//訓練檔案
unet.py//網路結構
predict_unet_test.py//測試檔案
tran.sh//訓練指令碼
test.sh//測試指令碼
4
使用步驟
訓練:
bash train.sh
測試:
bash test.sh
5
單機單卡訓練方式
在 TrainUnetDataSet.py
中,為了與單機多卡訓練方式對比,這裡給出訓練U-Net的完整指令碼,如下:
def Train_Unet (net, device, data_path, batch_size= 3 , epochs= 40 , lr= 0.0001 ) :
train_dataset = SelfDataSet(data_path)
train_loader = utils.data.DataLoader(
train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle= True
)
opt = optim.Adam((net.parameters()))
loss_fun = nn.BCEWithLogitsLoss()
bes_los = float( "inf" )
for epoch in range(epochs):
net.train()
running_loss = 0.0
i = 0
begin = time.perf_counter()
for image, label in train_loader:
opt.zero_grad()
image = image.to(device=device, dtype=flow.float32)
label = label.to(device=device, dtype=flow.float32)
pred = net(image)
loss = loss_fun(pred, label)
loss.backward()
i = i + 1
running_loss = running_loss + loss.item()
opt.step()
end = time.perf_counter()
loss_avg_epoch = running_loss / i
Unet_train_txt.write(str(format(loss_avg_epoch, ".4f" )) + "\n" )
print( "epoch: %d avg loss: %f time:%d s" % (epoch, loss_avg_epoch, end - begin))
if loss_avg_epoch < bes_los:
bes_los = loss_avg_epoch
state = { "net" : net.state_dict(), "opt" : opt.state_dict(), "epoch" : epoch}
flow.save(state, "./checkpoints" )
def main (args) :
DEVICE = "cuda" if flow.cuda.is_available() else "cpu"
print( "Using {} device" .format(DEVICE))
net = UNet( 1 , 1 , bilinear= False )
# print(net)
net.to(device=DEVICE)
data_path = args.data_path
Train_Unet(net, DEVICE, data_path, epochs=args.epochs, batch_size=args.batch_size)
Unet_train_txt.close()
6
單機多卡訓練方式(DDP)
OneFlow 提供的 SBP 和一致性視角,讓複雜的分散式訓練配置變得更簡單,不過我還在學習實踐中(學會了下次分享)。因為這裡的需求只是簡單的資料並行訓練,所以我使用了與 torch.nn.parallel.DistributedDataParallel
對齊的 oneflow.nn.parallel.DistributedDataParallel
模組及 launcher
,這樣幾乎不用對單機單卡指令碼做修改,就完成了資料並行訓練。
根據該特性,資料並行的訓練程式碼與單機單卡指令碼的不同只有2個,將第5節的訓練指令碼做如下修改:
1.使用 DistributedDataParallel
處理一下 module 物件
m=net.to(device=DEVICE) net = ddp(m)
2.使用 DistributedSampler
在每個程序中例項化 Dataloader
,每個 Dataloader
例項載入完整資料的一部分,自動完成資料的分發。
is_distributed= True
sampler = flow.utils.data.distributed.DistributedSampler(train_dataset) if is_distributed else None
train_loader = utils.data.DataLoader(
train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=(sampler is None ), sampler=sampler
)
分散式模式下,在建立DataLoader迭代器之前,在每個epoch開始時呼叫set_epoch()方法,這對在多個epoch中正確地進行shuffle是必要的。否則,將總是使用相同的順序。
for epoch in range(epochs):
if is_distributed:
sampler.set_epoch(epoch)
···
這樣就完成了分散式訓練指令碼的編寫,然後使用 launcher
啟動指令碼,把剩下的一切都交給 OneFlow,讓分散式訓練U-Net,像單機單卡訓練U-Net一樣簡單。
python3 -m oneflow.distributed.launch --nproc_per_node 8 ./TrainUnetDataSet.py
--nproc_per_node
選項表示呼叫的GPU結點數量。
7
視覺化實驗結果
該實驗只訓練了40個Epoch,提升Epoch數量可顯著提升模型精度。
原圖:

U-Net預測圖:

8
小結
本文更多以一個初次接觸OneFlow框架的使用者角度進行分析,在使用OneFlow訓練U-Net網路的過程中,我真正感受到OneFlow對新使用者的友好。
之前的學習中,我主要使用Keras和TensorFlow,但使用OneFlow卻可以很快上手。由於OneFlow的Eager模式,與PyTorch對齊,讓熟悉PyTorch的使用者可以零成本直接上手。至於Graph模式,目前我還沒有進行實踐,但Graph也是基於面向物件的程式設計風格,熟悉動態圖開發的使用者,只需要改很少量的程式碼,就可以使用高效率的靜態圖。
首先,OneFlow提供的API基本可以滿足我的所有需求,在下一版本中也將提供更加詳細的API幫助文件和更豐富、完善的運算元集,對比TensorFlow複雜和大型的文件,我認為OneFlow更具有易用性。
此外,OneFlow在處理大規模模型上的效能是最重要的。計算機視覺領域的模型規模越來越大,多節點叢集進行分散式訓練,以提升算力的方法被OneFlow更好地解決了。而且,分散式訓練的簡單操作也更能滿足我的需求。
最後,說一下在OneFlow短暫的實習體驗:11月15日入職,到現在為止已經過去一個月了。除了感受到國產深度學習框架正在異軍突起之外,在BBuf曉雨哥的言傳身教下,也感受到OneFlow團隊的高效開發方式。一個月的時間過得很快,對比我自己沒有pipline式的學習,在OneFlow學習和工作確實對個人提升很有benefits,實習的每天過得很愉快。
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