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8个计算机视觉深度学习中常见的Bug

jiezi

作者 | Arseny Kravchenko
编译 | ronghuaiyang

人是不完美的，我们经常在软件中犯错误。有时这些错误很容易发现：你的代码根本不能工作，你的应用程序崩溃等等。但是有些 bug 是隐藏的，这使得它们更加危险。

在解决深度学习问题时，由于一些不确定性，很容易出现这种类型的 bug：很容易看到 web 应用程序路由请求是否正确，而不容易检查你的梯度下降步骤是否正确。然而，有很多错误是可以避免的。

我想分享一些我的经验，关于我在过去两年的计算机视觉工作中看到或制造的错误。我之前有谈到过这个话题，很多人告诉我：“是的，我也有很多这样的 bug。”我希望我的文章可以帮助你至少避免其中的一些问题。

1. 翻转图片以及关键点

假设在关键点检测的问题上。数据看起来像一对图像和一系列的关键点元组。其中每个关键点是一对 x 和 y 坐标。

让我们对这个数据进行基础的增强：

  1. def flip_img_and_keypoints(img: np.ndarray, kpts:`Sequence[Sequence[int]]):`
  2. img = np.fliplr(img)
  3. h, w,`*_ = img.shape`
  4. kpts =`[(y, w – x)`for y, x in kpts]
  5. return img, kpts

看起来是正确的，嗯？我们把它可视化。

  1. image = np.ones((10,`10), dtype=np.float32)`
  2. kpts =`[(0,1),(2,`2)]
  3. image_flipped, kpts_flipped = flip_img_and_keypoints(image, kpts)
  4. img1 = image.copy()
  5. for y, x in kpts:
  6. img1[y, x]`=`0
  7. img2 = image_flipped.copy()
  8. for y, x in kpts_flipped:
  9. img2[y, x]`=`0
  10. _ = plt.imshow(np.hstack((img1, img2)))

不对称，看起来很奇怪！如果我们检查极值呢？

  1. image = np.ones((10,`10), dtype=np.float32)`
  2. kpts =`[(0,0),(1,`1)]
  3. image_flipped, kpts_flipped = flip_img_and_keypoints(image, kpts)
  4. img1 = image.copy()
  5. for y, x in kpts:
  6. img1[y, x]`=`0
  7. img2 = image_flipped.copy()
  8. for y, x in kpts_flipped:
  9. img2[y, x]`=`0
  10. ---------------------------------------------------------------------------
  11. IndexError`Traceback`(most recent call last)
  12. <ipython-input-5-997162463eae>`in`<module>
  13. 8 img2 = image_flipped.copy()
  14. 9`for y, x in kpts_flipped:`
  15. --->`10 img2[y, x]=0`
  16. IndexError: index 10`is out of bounds for axis 1`with size 10

不好！这是一个典型的 off-by-one 错误。正确的代码是这样的:

  1. def flip_img_and_keypoints(img: np.ndarray, kpts:`Sequence[Sequence[int]]):`
  2. img = np.fliplr(img)
  3. h, w,`*_ = img.shape`
  4. kpts =`[(y, w – x –1)for y, x in kpts]`
  5. return img, kpts

我们通过可视化发现了这个问题，但是，使用“x = 0”点进行单元测试也会有所帮助。一个有趣的事实是：有一个团队中有三个人 (包括我自己) 独立地犯了几乎相同的错误。

2. 继续是关键点相关的问题

即使在上面的函数被修复之后，仍然存在危险。现在更多的是语义，而不仅仅是一段代码。

假设需要用两只手掌来增强图像。看起来很安全：手是左，右翻转。

但是等等！我们对关键点的语义并不很了解。如果这个关键点的意思是这样的：

  1. kpts =`[`
  2. (20,`20),`# left pinky
  3. (20,`200),`# right pinky
  4. ...
  5. ]

这意味着增强实际上改变了语义：左变成右，右变成左，但我们不交换数组中的关键点索引。它会给训练带来大量的噪音和更糟糕的度量。

我们应该吸取一个教训：

  • 在应用增强或其他花哨的功能之前，了解并考虑数据结构和语义
  • 保持你的实验原子性：添加一个小的变化(例如一个新的变换)，检查它如何进行，如果分数提高才加进去。

3. 编写自己的损失函数

熟悉语义分割问题的人可能知道 IoU 指标。不幸的是，我们不能直接用 SGD 来优化它，所以常用的方法是用可微损失函数来近似它。

  1. def iou_continuous_loss(y_pred, y_true):
  2. eps =`1e-6`
  3. def _sum(x):
  4. return x.sum(-1).sum(-1)
  5. numerator =`(_sum(y_true * y_pred)`+ eps)
  6. denominator =`(_sum(y_true 2)+ _sum(y_pred `2)
  7. - _sum(y_true * y_pred)`+ eps)`
  8. return`(numerator / denominator).mean()`

看起来不错，我们先做个小的检查：

  1. In`[3]: ones = np.ones((1,3,10,`10))
  2. ...: x1 = iou_continuous_loss(ones *`0.01, ones)`
  3. ...: x2 = iou_continuous_loss(ones *`0.99, ones)`
  4. In`[4]: x1, x2`
  5. Out[4]:`(0.010099999897990103,`0.9998990001020204)

在 x1中，我们计算了一些与 ground truth 完全不同的东西的损失，而 x2则是非常接近 ground truth 的东西的结果。我们预计 x1会很大，因为预测是错误的，x2应该接近于零。怎么了?

上面的函数是对 metric 的一个很好的近似。metric 不是一种损失：它通常 (包括这种情况) 越高越好。当我们使用 SGD 来最小化损失时，我们应该使用一些相反的东西：

  1. def iou_continuous(y_pred, y_true):
  2. eps =`1e-6`
  3. def _sum(x):
  4. return x.sum(-1).sum(-1)
  5. numerator =`(_sum(y_true * y_pred)`+ eps)
  6. denominator =`(_sum(y_true 2)+ _sum(y_pred `2)
  7. - _sum(y_true * y_pred)`+ eps)`
  8. return`(numerator / denominator).mean()`
  9. def iou_continuous_loss(y_pred, y_true):
  10. return`1`- iou_continuous(y_pred, y_true)

这些问题可以从两个方面来确定：

  • 编写一个单元测试，检查损失的方向：形式化的期望，更接近 ground truth 应该输出更低的损失。
  • 运行一个健全的检查，让你的模型在单个 batch 中过拟合。

4. 当我们使用 Pytorch 的时候

假设有一个预先训练好的模型，开始做 infer。

  1. from ceevee.base import`AbstractPredictor`
  2. class`MySuperPredictor(AbstractPredictor):`
  3. def __init__(self,
  4. weights_path: str,
  5. ):
  6. super().__init__()
  7. self.model = self._load_model(weights_path=weights_path)
  8. def process(self, x,`*kw):`
  9. with torch.no_grad():
  10. res = self.model(x)
  11. return res
  12. @staticmethod
  13. def _load_model(weights_path):
  14. model =`ModelClass()`
  15. weights = torch.load(weights_path, map_location='cpu')
  16. model.load_state_dict(weights)
  17. return model

这个代码正确吗？也许！这确实适用于某些模型。例如，当模型没有 dropout 或 norm 层，如 torch.nn.BatchNorm2d。或者当模型需要为每个图像使用实际的 norm 统计量时(例如，许多基于 pix2pix 的架构需要它)。

但是对于大多数计算机视觉应用程序来说，代码忽略了一些重要的东西: 切换到评估模式。

如果试图将动态 PyTorch 图转换为静态 PyTorch 图，这个问题很容易识别。torch.jit用于这种转换。

  1. In`[3]: model = nn.Sequential(`
  2. ...: nn.Linear(10,`10),`
  3. ...: nn.Dropout(.5)
  4. ...:`)`
  5. ...:
  6. ...: traced_model = torch.jit.trace(model, torch.rand(10))
  7. /Users/Arseny/.pyenv/versions/3.6.6/lib/python3.6/site-packages/torch/jit/__init__.py:914:`TracerWarning:Trace had nondeterministic nodes.Did you forget call .eval() on your model?`Nodes:
  8. %12`:Float(10)= aten::dropout(%input,%10,%11), scope:Sequential/Dropout[1]# /Users/Arseny/.pyenv/versions/3.6.6/lib/python3.6/site-packages/torch/nn/functional.py:806:0`
  9. This may cause errors in trace checking.`To disable trace checking,`pass check_trace=False to torch.jit.trace()
  10. check_tolerance, _force_outplace,`True, _module_class)`
  11. /Users/Arseny/.pyenv/versions/3.6.6/lib/python3.6/site-packages/torch/jit/__init__.py:914:`TracerWarning:Output nr 1\. of the traced function does not match the corresponding output of the Python function.Detailed error:`
  12. Not within tolerance rtol=1e-05 atol=1e-05 at input[5]`(0.0 vs.0.5454154014587402)and`5 other locations (60.00%)
  13. check_tolerance, _force_outplace,`True, _module_class)`

简单的修复一下：

  1. In`[4]: model = nn.Sequential(`
  2. ...: nn.Linear(10,`10),`
  3. ...: nn.Dropout(.5)
  4. ...:`)`
  5. ...:
  6. ...: traced_model = torch.jit.trace(model.eval(), torch.rand(10))
  7. # No more warnings!

在这种情况下，torch.jit.trace将模型运行几次并比较结果。这里的差别是可疑的。

然而 torch.jit.trace在这里不是万能药。这是一种应该知道和记住的细微差别。

5. 复制粘贴的问题

很多东西都是成对存在的：训练和验证、宽度和高度、纬度和经度……

  1. def make_dataloaders(train_cfg, val_cfg, batch_size):
  2. train =`Dataset.from_config(train_cfg)`
  3. val =`Dataset.from_config(val_cfg)`
  4. shared_params =`{‘batch_size’: batch_size,'shuffle':True,`'num_workers': cpu_count()}
  5. train =`DataLoader(train,`**shared_params)
  6. val =`DataLoader(train,`**shared_params)
  7. return train, val

不仅仅是我犯了愚蠢的错误。例如，在非常流行的 albumentations 库也有一个类似的版本。

  1. # https://github.com/albu/albumentations/blob/0.3.0/albumentations/augmentations/transforms.py
  2. def apply_to_keypoint(self, keypoint, crop_height=0, crop_width=0, h_start=0, w_start=0, rows=0, cols=0,`**params):`
  3. keypoint = F.keypoint_random_crop(keypoint, crop_height, crop_width, h_start, w_start, rows, cols)
  4. scale_x = self.width / crop_height
  5. scale_y = self.height / crop_height
  6. keypoint = F.keypoint_scale(keypoint, scale_x, scale_y)
  7. return keypoint

别担心，已经修改好了。

如何避免？不要复制和粘贴代码，尽量以不需要复制和粘贴的方式编写代码。

【NO】

  1. datasets =`[]`
  2. data_a = get_dataset(MyDataset(config['dataset_a']), config['shared_param'], param_a)
  3. datasets.append(data_a)
  4. data_b = get_dataset(MyDataset(config['dataset_b']), config['shared_param'], param_b)
  5. datasets.append(data_b)

【YES】

  1. datasets =`[]`
  2. for name, param in zip(('dataset_a',`’dataset_b’),`
  3. (param_a, param_b),
  4. ):
  5. datasets.append(get_dataset(MyDataset(config[name]), config['shared_param'], param))

6. 合适的数据类型

让我们编写一个新的增强

  1. def add_noise(img: np.ndarray)`-> np.ndarray:`
  2. mask = np.random.rand(*img.shape)`+`.5
  3. img = img.astype('float32')`* mask`
  4. return img.astype('uint8')

图像已被更改。这是我们所期望的吗? 嗯，也许它改变得太多了。

这里有一个危险的操作：将 float32 转换为 uint8。它可能会导致溢出：

  1. def add_noise(img: np.ndarray)`-> np.ndarray:`
  2. mask = np.random.rand(*img.shape)`+`.5
  3. img = img.astype('float32')`* mask`
  4. return np.clip(img,`0,`255).astype('uint8')
  5. img = add_noise(cv2.imread('two_hands.jpg')[:,`:,`::-1])
  6. _ = plt.imshow(img)

看起来好多了，是吧？

顺便说一句，还有一种方法可以避免这个问题：不要重新发明轮子，不要从头开始编写增强代码并使用现有的扩展：albumentations.augmentations.transforms.GaussNoise。

我曾经做过另一个同样起源的 bug。

  1. raw_mask = cv2.imread('mask_small.png')
  2. mask = raw_mask.astype('float32')`/`255
  3. mask = cv2.resize(mask,`(64,`64), interpolation=cv2.INTER_LINEAR)
  4. mask = cv2.resize(mask,`(128,`128), interpolation=cv2.INTER_CUBIC)
  5. mask =`(mask *`255).astype('uint8')
  6. _ = plt.imshow(np.hstack((raw_mask, mask)))

这里出了什么问题？首先，用三次插值调整掩模的大小是一个坏主意。同样的问题 float32到 uint8：三次插值可以输出值大于输入，这会导致溢出。

我在做可视化的时候发现了这个问题。在你的训练循环中到处放置断言也是一个好主意。

7. 拼写错误

假设需要对全卷积网络 (如语义分割问题) 和一个巨大的图像进行推理。该图像是如此巨大，没有机会把它放在你的 GPU 中，它可以是一个医疗或卫星图像。

在这种情况下，可以将图像分割成网格，独立地对每一块进行推理，最后合并。此外，一些预测交叉可能有助于平滑边界附近的 artifacts。

  1. from tqdm import tqdm
  2. class`GridPredictor:`
  3. """
  4. This class can be used to predict a segmentation mask for the big image
  5. when you have GPU memory limitation
  6. """
  7. def __init__(self, predictor:`AbstractPredictor, size: int, stride:Optional[int]=`None):
  8. self.predictor = predictor
  9. self.size = size
  10. self.stride = stride if stride is`notNoneelse size //`2
  11. def __call__(self, x: np.ndarray):
  12. h, w, _ = x.shape
  13. mask = np.zeros((h, w,`1), dtype=’float32′)`
  14. weights = mask.copy()
  15. for i in tqdm(range(0, h -`1, self.stride)):`
  16. for j in range(0, w -`1, self.stride):`
  17. a, b, c, d = i, min(h, i + self.size), j, min(w, j + self.size)
  18. patch = x[a:b, c:d,`:]`
  19. mask[a:b, c:d,`:]+= np.expand_dims(self.predictor(patch),-1)`
  20. weights[a:b, c:d,`:]=1`
  21. return mask / weights

有一个符号输入错误，代码段足够大，可以很容易地找到它。我怀疑仅仅通过代码就能快速识别它。但是很容易检查代码是否正确：

  1. class`Model(nn.Module):`
  2. def forward(self, x):
  3. return x.mean(axis=-1)
  4. model =`Model()`
  5. grid_predictor =`GridPredictor(model, size=128, stride=64)`
  6. simple_pred = np.expand_dims(model(img),`-1)`
  7. grid_pred = grid_predictor(img)
  8. np.testing.assert_allclose(simple_pred, grid_pred, atol=.001)
  9. ---------------------------------------------------------------------------
  10. AssertionError`Traceback`(most recent call last)
  11. <ipython-input-24-a72034c717e9>`in`<module>
  12. 9 grid_pred = grid_predictor(img)
  13. 10
  14. --->`11 np.testing.assert_allclose(simple_pred, grid_pred, atol=.001)`
  15. ~/.pyenv/versions/3.6.6/lib/python3.6/site-packages/numpy/testing/_private/utils.py in assert_allclose(actual, desired, rtol, atol, equal_nan, err_msg, verbose)
  16. 1513 header =`’Not equal to tolerance rtol=%g, atol=%g’%(rtol, atol)`
  17. 1514 assert_array_compare(compare, actual, desired, err_msg=str(err_msg),
  18. ->`1515 verbose=verbose, header=header, equal_nan=equal_nan)`
  19. 1516
  20. 1517
  21. ~/.pyenv/versions/3.6.6/lib/python3.6/site-packages/numpy/testing/_private/utils.py in assert_array_compare(comparison, x, y, err_msg, verbose, header, precision, equal_nan, equal_inf)
  22. 839 verbose=verbose, header=header,
  23. 840 names=('x',`’y’), precision=precision)`
  24. -->`841raiseAssertionError(msg)`
  25. 842`except`ValueError:
  26. 843`import traceback`
  27. AssertionError:
  28. Not equal to tolerance rtol=1e-07, atol=0.001
  29. Mismatch:`99.6%`
  30. Max absolute difference:`765.`
  31. Max relative difference:`0.75000001`
  32. x: array([[[215.333333],
  33. [192.666667],
  34. [250.`],…`
  35. y: array([[[`215.33333],`
  36. [`192.66667],`
  37. [`250.`],...

下面是 __call__方法的正确版本:

  1. def __call__(self, x: np.ndarray):
  2. h, w, _ = x.shape
  3. mask = np.zeros((h, w,`1), dtype=’float32′)`
  4. weights = mask.copy()
  5. for i in tqdm(range(0, h -`1, self.stride)):`
  6. for j in range(0, w -`1, self.stride):`
  7. a, b, c, d = i, min(h, i + self.size), j, min(w, j + self.size)
  8. patch = x[a:b, c:d,`:]`
  9. mask[a:b, c:d,`:]+= np.expand_dims(self.predictor(patch),-1)`
  10. weights[a:b, c:d,`:]+=1`
  11. return mask / weights

如果你仍然不知道问题出在哪里，请注意 weights[a:b,c:d,:]+=1这一行。

8. Imagenet 归一化

当一个人需要进行转移学习时，用训练 Imagenet 时的方法将图像归一化通常是一个好主意。

让我们使用我们已经熟悉的 albumentations 库。

  1. from albumentations import`Normalize`
  2. norm =`Normalize()`
  3. img = cv2.imread('img_small.jpg')
  4. mask = cv2.imread('mask_small.png', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
  5. mask = np.expand_dims(mask,`-1)`# shape (64, 64) -> shape (64, 64, 1)
  6. normed = norm(image=img, mask=mask)
  7. img, mask =`[normed[x]for x in[‘image’,`'mask']]
  8. def img_to_batch(x):
  9. x = np.transpose(x,`(2,0,1)).astype(‘float32’)`
  10. return torch.from_numpy(np.expand_dims(x,`0))`
  11. img, mask = map(img_to_batch,`(img, mask))`
  12. criterion = F.binary_cross_entropy

现在是时候训练一个网络并对单个图像进行过度拟合了——正如我所提到的，这是一种很好的调试技术：

  1. model_a =`UNet(3,`1)
  2. optimizer = torch.optim.Adam(model_a.parameters(), lr=1e-3)
  3. losses =`[]`
  4. for t in tqdm(range(20)):
  5. loss = criterion(model_a(img), mask)
  6. losses.append(loss.item())
  7. optimizer.zero_grad()
  8. loss.backward()
  9. optimizer.step()
  10. _ = plt.plot(losses)

曲率看起来很好，但是交叉熵的损失值 -300 是不可预料的。是什么问题？

归一化处理图像效果很好，但是 mask 没有：需要手动缩放到 [0,1]。

  1. model_b =`UNet(3,`1)
  2. optimizer = torch.optim.Adam(model_b.parameters(), lr=1e-3)
  3. losses =`[]`
  4. for t in tqdm(range(20)):
  5. loss = criterion(model_b(img), mask /`255.)`
  6. losses.append(loss.item())
  7. optimizer.zero_grad()
  8. loss.backward()
  9. optimizer.step()
  10. _ = plt.plot(losses)

训练循环的简单运行时断言 (例如 assertmask.max()<=1 会很快检测到问题。同样，也可以是单元测试。

总结

  • 测试很有必要
  • 运行时断言可以用于训练的 pipeline;
  • 可视化是一种幸福
  • 复制粘贴是一种诅咒
  • 没有什么是灵丹妙药，一个机器学习工程师必须总是小心(或只是受苦)。
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