用大模型学大模型04-模型可视化与数据可视化

deepseek.com: pytorch可视化工具 生成神经网络图

在 PyTorch 中，可视化神经网络结构的常用工具和方法有以下几种，以下将详细介绍它们的用法：

---

1. TensorBoard (PyTorch 官方集成)

PyTorch 通过 torch.utils.tensorboard 支持 TensorBoard，可以直接可视化模型结构。

步骤：

1. 安装 TensorBoard：

   pip install tensorboard
   

2. 代码示例：

   import torch
   from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
   from torchvision.models import resnet18
   
   # 定义模型
   model = resnet18()
   # 创建 SummaryWriter 对象
   writer = SummaryWriter("runs/experiment1")
   # 生成随机输入数据（需与模型输入形状匹配）
   dummy_input = torch.randn(1, 3, 224, 224)
   # 将模型结构写入 TensorBoard
   writer.add_graph(model, dummy_input)
   writer.close()
   

3. 启动 TensorBoard：

   tensorboard --logdir=runs
   

   在浏览器中打开 http://localhost:6006，在 GRAPHS 标签页查看模型结构。

---

2. torchviz (生成计算图)

torchviz 基于 Graphviz，生成模型的计算图（前向传播路径）。

步骤：

1. 安装依赖：

   pip install torchviz graphviz
   

2. 代码示例：

   import torch
   from torchviz import make_dot
   from torchvision.models import resnet18
   
   model = resnet18()
   dummy_input = torch.randn(1, 3, 224, 224)
   output = model(dummy_input)
   # 生成计算图
   dot = make_dot(output, params=dict(model.named_parameters()))
   # 保存为图片（格式可为 PDF 或 PNG）
   dot.render("resnet18", format="png")
   

---

3. HiddenLayer (轻量级可视化)

hiddenlayer 是一个轻量级工具，适合快速生成模型结构图。

步骤：

1. 安装：

   pip install hiddenlayer
   

2. 代码示例：

   import torch
   import hiddenlayer as hl
   from torchvision.models import resnet18
   
   model = resnet18()
   dummy_input = torch.randn(1, 3, 224, 224)
   # 构建可视化图表
   hl.build_graph(model, dummy_input).save("resnet18.png")
   

---

4. Netron (模型结构查看器)

Netron 是一个独立的可视化工具，支持 PyTorch 模型文件（.pt 或 .pth）或 ONNX 格式。

步骤：

1. 导出模型为 ONNX：

   import torch
   from torchvision.models import resnet18
   
   model = resnet18()
   dummy_input = torch.randn(1, 3, 224, 224)
   torch.onnx.export(model, dummy_input, "resnet18.onnx")
   

2. 使用 Netron 打开：
   访问 Netron Web 版 或下载桌面端，上传 .onnx 文件即可查看交互式模型结构。

---

5. PyTorch 内置打印

通过 print(model) 快速查看模型层级（适合简单结构）：

import torch.nn as nn

class MyModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.layers = nn.Sequential(
            nn.Linear(10, 20),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(20, 1)
        )
    
    def forward(self, x):
        return self.layers(x)

model = MyModel()
print(model)

---

工具对比

工具	优点	缺点
TensorBoard	集成训练监控，交互式可视化	需要启动服务，略复杂
torchviz	显示计算细节，适合调试	依赖 Graphviz，图可能较复杂
HiddenLayer	轻量级，快速生成	功能相对简单
Netron	无需代码，支持多格式	依赖导出模型文件

根据需求选择工具：调试计算流程用 torchviz，训练集成用 TensorBoard，快速分享用 Netron。

在 PyTorch 中，可视化训练集、测试集、预测结果和训练过程可以通过多种工具实现。以下是常用的工具和方法，按场景分类：

---

1. 可视化数据集（训练集/测试集）

工具：Matplotlib/Seaborn

直接使用 Python 绘图库可视化输入数据或特征分布。

import matplotlib.pyplot as plt
import torchvision

# 示例：可视化 CIFAR10 训练集
dataset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True, download=True)
classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat', 'deer', 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck')

# 显示前 9 张图片
fig, axes = plt.subplots(3, 3, figsize=(10, 10))
for i, ax in enumerate(axes.flat):
    img, label = dataset[i]
    ax.imshow(img)
    ax.set_title(f"Label: {classes[label]}")
    ax.axis('off')
plt.show()

---

2. 可视化训练过程

工具 1：TensorBoard（PyTorch 集成）

监控训练损失、准确率等指标，支持动态更新。

from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter

writer = SummaryWriter("runs/experiment1")

for epoch in range(num_epochs):
    # 训练代码...
    train_loss = ...
    val_accuracy = ...
    
    # 记录标量数据
    writer.add_scalar('Loss/train', train_loss, epoch)
    writer.add_scalar('Accuracy/val', val_accuracy, epoch)

    # 记录模型权重分布
    for name, param in model.named_parameters():
        writer.add_histogram(name, param, epoch)

# 启动 TensorBoard
# tensorboard --logdir=runs

工具 2：Weights & Biases（第三方协作工具）

云端记录实验，支持超参数跟踪和团队协作。

import wandb

# 初始化
wandb.init(project="my-project")

# 记录指标
wandb.log({"train_loss": train_loss, "val_acc": val_accuracy})

# 记录预测结果（图像示例）
wandb.log({"predictions": [wandb.Image(img, caption=f"Pred:{pred}, True:{true}")]})

---

3. 可视化预测结果

方法 1：Matplotlib 直接绘制

# 示例：分类结果可视化
import numpy as np

model.eval()
with torch.no_grad():
    inputs, labels = next(iter(test_loader))
    outputs = model(inputs)
    preds = torch.argmax(outputs, dim=1)

# 显示预测结果
fig, axes = plt.subplots(4, 4, figsize=(12, 12))
for i, ax in enumerate(axes.flat):
    ax.imshow(inputs[i].permute(1, 2, 0))  # 调整通道顺序
    ax.set_title(f"Pred: {classes[preds[i]]}\nTrue: {classes[labels[i]]}")
    ax.axis('off')
plt.tight_layout()
plt.show()

方法 2：混淆矩阵（分类任务）

from sklearn.metrics import confusion_matrix
import seaborn as sns

# 计算混淆矩阵
cm = confusion_matrix(true_labels, pred_labels)
plt.figure(figsize=(10, 8))
sns.heatmap(cm, annot=True, fmt="d", cmap="Blues", xticklabels=classes, yticklabels=classes)
plt.xlabel("Predicted")
plt.ylabel("True")
plt.show()

---

4. 高级可视化工具

工具 1：Plotly（交互式可视化）

绘制动态训练曲线：

import plotly.express as px

# 假设 logs 是包含训练历史的字典
fig = px.line(logs, x='epoch', y=['train_loss', 'val_loss'], 
              title="Training and Validation Loss")
fig.show()

工具 2：Gradio（快速构建交互式 Demo）

部署模型预测交互界面：

import gradio as gr

def classify_image(img):
    img = preprocess(img)  # 预处理
    pred = model(img)      # 推理
    return classes[torch.argmax(pred)]

gr.Interface(fn=classify_image, inputs="image", outputs="label").launch()

---

5. 训练过程可视化（高级）

工具：PyTorch Lightning

自动集成 TensorBoard 和 WandB，简化日志记录：

import pytorch_lightning as pl

class MyModel(pl.LightningModule):
    def training_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        y_hat = self(x)
        loss = F.cross_entropy(y_hat, y)
        self.log("train_loss", loss)  # 自动记录到日志
        return loss

# 训练时指定 logger
trainer = pl.Trainer(
    logger=pl.loggers.TensorBoardLogger("logs/"),
    # 或使用 WandB
    # logger=pl.loggers.WandbLogger(project="my-project")
)
trainer.fit(model)

---

工具对比

工具/方法	适用场景	优点	缺点
TensorBoard	训练指标跟踪、模型结构可视化	官方集成，功能全面	需本地启动服务
WandB	团队协作、云端实验管理	实时同步、超参数跟踪	需要注册账号
Matplotlib	静态数据可视化	灵活、无需额外依赖	交互性弱
Plotly	交互式动态图表	支持网页嵌入、动态更新	学习曲线稍陡峭
Gradio	快速部署预测 Demo	零代码交互界面	功能相对简单

---

关键场景总结

1. 训练过程监控：优先选择 TensorBoard 或 WandB。
2. 数据集预览：Matplotlib/Seaborn 快速绘制。
3. 预测结果分析：混淆矩阵（分类）、BBox 标注（检测）、Matplotlib 对比图（回归）。
4. 协作与报告：WandB 或 TensorBoard.dev（云端共享）。

可根据需求组合使用工具，例如：TensorBoard + Matplotlib（本地开发）或 WandB + Gradio（团队协作 + 演示）。