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关于华为云:MindSpore模型精度调优实战常用的定位精度调试调优思路

jiezi

摘要：在模型的开发过程中，精度达不到预期经常让人头疼。为了帮忙用户解决模型调试调优的问题，咱们为 MindSpore 量身定做了可视化调试调优组件：MindInsight。

本文分享自华为云社区《技术干货 | 模型优化精度、速度我全都要！MindSpore 模型精度调优实战（二）》，原文作者：HWCloudAI。

引言：

在模型的开发过程中，精度达不到预期经常让人头疼。为了帮忙用户解决模型调试调优的问题，咱们为 MindSpore 量身定做了可视化调试调优组件：MindInsight。咱们还梳理了针对常见精度问题的调试调优指南，将以“MindSpore 模型精度调优实战”系列文章的模式分享进去，心愿能帮忙用户轻松定位精度问题，疾速优化模型精度。

回顾 MindSpore 模型精度调优实战系列点击跳转链接→技术干货 | 更快定位精度问题！MindSpore 模型精度调优实战（一）。

本文是系列分享的第二篇，将给出 罕用的精度调试调优思路。本系列分享假如您的脚本曾经可能运行并算出 loss 值。如果脚本还不能运行，请先参考相干报错提醒进行批改。

遇到精度问题时，罕用调试调优思路如下：

  1. 查看代码和超参
  2. 查看模型构造
  3. 查看输出数据
  4. 查看 loss 曲线
  5. 查看精度是否达到预期

代码是精度问题的重要源头，查看代码重在对脚本和代码做查看，力争在源头发现问题（第 2 节）；模型构造体现了 MindSpore 对代码的了解，查看模型构造重在查看 MindSpore 的了解和算法工程师的设计是否统一（第 3 节）；有的问题要到动静的训练过程中才会发现，查看输出数据（第 4 节）和 loss 曲线（第 5 节）正是将代码和动静训练景象联合进行查看；查看精度是否达到预期则是对整体精度调优过程从新扫视，并思考调整超参、解释模型、优化算法等调优伎俩（第 6 节）。此外，相熟模型和工具也是很重要的（第 1 节）。上面将别离介绍这些思路。

01 精度调优筹备

1.1 回顾算法设计，全面相熟模型

精度调优前，要先对算法设计做回顾，确保算法设计明确。如果参考论文实现模型，则应回顾论文中的全副设计细节和超参抉择状况；如果参考其它框架脚本实现模型，则应确保有一个惟一的、精度可能达标的标杆脚本；如果是新开发的算法，也应将重要的设计细节和超参抉择明确进去。这些信息是前面查看脚本步骤的重要依据。

精度调优前，还要全面相熟模型。只有相熟了模型，能力精确了解 MindInsight 提供的信息，判断是否存在问题，查找问题源头。因而，花工夫了解模型算法和构造、了解模型中算子的作用和参数的含意、了解模型所用优化器的个性等模型因素是很重要的。入手剖析精度问题细节前，倡议先带着问题加深对这些模型因素的理解。

前，要先对算法设计做回顾，确保算法设计明确。如果参考论文实现模型，则应回顾论文中的全副设计细节和超参抉择状况；如果参考其它框架脚本实现模型，则应确保有一个惟一的、精度可能达标的标杆脚本；如果是新开发的算法，也应将重要的设计细节和超参抉择明确进去。这些信息是前面查看脚本步骤的重要依据。

精度调优前，还要全面相熟模型。只有相熟了模型，能力精确了解 MindInsight 提供的信息，判断是否存在问题，查找问题源头。因而，花工夫了解模型算法和构造、了解模型中算子的作用和参数的含意、了解模型所用优化器的个性等模型因素是很重要的。入手剖析精度问题细节前，倡议先带着问题加深对这些模型因素的理解。

1.2 相熟工具

MindInsight 功能丰富，倡议用户简略浏览 MindInsight 教程（https://www.mindspore.cn/tuto…），理解次要性能。定位精度问题时，倡议使能 summary 训练信息收集性能，在脚本中退出 SummaryCollector，并应用训练看板查看训练过程数据，如下图所示。Summary 性能的使用指南请见（https://www.mindspore.cn/tuto…），训练可视性能的使用指南请见（https://www.mindspore.cn/tuto…）。

当您须要在线调试模型时，请参考此链接使能调试器性能：

https://www.mindspore.cn/tuto…

02 查看代码和超参

代码是精度问题的重要源头，超参问题、模型构造问题、数据问题、算法设计和实现问题会体现在脚本中，对脚本做查看是定位精度问题很有效率的伎俩。查看代码次要依赖代码走读，倡议应用小黄鸭调试法：在代码走读的过程中，急躁地向没有教训的“小黄鸭”解释每一行代码的作用，从而激发灵感，发现代码问题。查看脚本时，要留神查看脚本实现（包含数据处理、模型构造、loss 函数、优化器等实现）同设计是否统一，如果参考了其它脚本，要重点查看脚本实现同其它脚本是否统一，所有不统一的中央都应该有充沛正当的理由，否则就应批改。

查看脚本时，也要关注超参的状况，超参问题次要体现为超参取值不合理，例如

  1. 学习率设置不合理；
  2. loss_scale 参数不合理；
  3. 权重初始化参数不合理等。

MindInsight 能够辅助用户对超参做查看，大多数状况下，SummaryCollector 会自动记录常见超参，您能够通过 MindInsight 的训练参数详情性能（如下图）和溯源剖析性能查看超参。联合 MindInsight 模型溯源剖析模块和脚本中的代码，能够确认超参的取值，辨认显著不合理的超参。如果有标杆脚本，倡议同标杆脚本一一比对超参取值，如果有默认参数值，则默认值也应一并比对，以防止不同框架的参数默认值不同导致精度降落或者训练谬误。

03 查看模型构造

在模型构造方面，常见的问题有：

  1. 算子应用谬误（应用的算子不适用于指标场景，如应该应用浮点除，谬误地应用了整数除）；
  2. 权重共享谬误（共享了不应共享的权重）；
  3. 权重解冻谬误（解冻了不应解冻的权重）；
  4. 节点连贯谬误（应该连贯到计算图中的 block 未连贯）；
  5. loss 函数谬误；
  6. 优化器算法谬误（如果自行实现了优化器）等。

倡议通过查看模型代码的形式对模型构造进行查看。此外，MindInsight 也能够辅助用户对模型构造进行查看。大多数状况下，SummaryCollector 会自动记录计算图，通过 MindInsight，用户能够 不便地对计算图进行查看。模型脚本运行后，倡议应用 MindInsight 计算图可视模块查看模型构造，加深对计算图的了解，确认模型构造合乎预期。若有标杆脚本，还能够同标杆脚本对照查看计算图，查看以后脚本和标杆脚本的计算图是否存在重要的差别。

思考到模型构造个别都很简单，冀望在这一步就能发现所有的模型构造问题是不事实的。只有通过可视化的模型构造加深对计算图的了解，发现显著的构造问题即可。前面的步骤中，发现了更明确的精度问题景象后，咱们还会回到这一步从新查看确认。

注 1：MindInsight 反对查看 SummaryCollector 记录的计算图和 MindSpore context 的 save_graphs 参数导出的 pb 文件计算图。请参考咱们教程中的“计算图可视化”局部理解更多信息（https://www.mindspore.cn/tuto…）。

注 2：脚本迁徙工具能够将 PyTorch、TensorFlow 框架下编写的模型转换为 MindSpore 脚本，请拜访教程（https://www.mindspore.cn/tuto…）以理解更多信息。

04 查看输出数据

通过查看输出模型的数据，能够联合脚本判断数据处理流水线和数据集是否存在问题。输出数据的常见问题有：

  1. 数据缺失值过多；
  2. 每个类别中的样本数目不平衡；
  3. 数据中存在异样值；
  4. 数据标签谬误；
  5. 训练样本有余；
  6. 未对数据进行标准化，输出模型的数据不在正确的范畴内；
  7. finetune 和 pretrain 的数据处理形式不同；
  8. 训练阶段和推理阶段的数据处理形式不同；
  9. 数据处理参数不正确等。

MindInsight 能够辅助用户对输出数据、数据处理流水线进行查看。大多数状况下，SummaryCollector 会自动记录输出模型的数据（数据处理后的数据）和数据处理流水线参数。输出模型的数据会展现在“数据抽样”模块，数据处理流水线参数会展现在“数据图”模块和“数据溯源”模块。通过 MindInsight 的数据抽样模块，能够查看输出模型的（数据处理流水线解决后的）数据。若数据显著不合乎预期（例如数据被裁剪的范畴过大，数据旋转的角度过大等），能够判断输出数据呈现了肯定的问题。通过 MindInsight 的数据图和数据溯源模块，能够查看数据处理流水线的数据处理过程和具体参数取值，从而 发现不合理的数据处理办法。

如果有标杆脚本，还能够同标杆脚本对照，查看数据处理流水线输入的数据是否和以后脚本的数据雷同。例如，将数据处理流水线输入的数据保留为 npy 文件，而后应用 numpy.allclose()办法对标杆脚本和以后脚本的数据进行比照。如果发现不同，则数据处理阶段可能存在精度问题。

若数据处理流水线未发现问题，能够手动检查数据集是否存在分类不平衡、标签匹配谬误、缺失值过多、训练样本有余等问题。

05 查看 loss 曲线

很多精度问题会在网络训练过程中发现，常见的问题或景象有：

  1. 权重初始化不合理（例如初始值为 0，初始值范畴不合理等）；
  2. 权重中存在过大、过小值；
  3. 权重变动过大；
  4. 权重解冻不正确；
  5. 权重共享不正确；
  6. 激活值饱和或过弱（例如 Sigmoid 的输入靠近 1，Relu 的输入全为 0）；
  7. 梯度爆炸、隐没；
  8. 训练 epoch 有余；
  9. 算子计算结果存在 NAN、INF；
  10. 算子计算过程溢出（计算过程中的溢出不肯定都是无害的）等。

上述这些问题或景象，有的能够通过 loss 体现进去，有的则难以察看。MindInsight 提供了针对性的性能，能够察看上述景象、主动查看问题，帮忙您更快定位问题根因。例如：

  • MindInsight 的参数分布图模块能够展现模型权重随训练过程的变化趋势；
  • MindInsight 的张量可视模块能够展现张量的具体取值，对不同张量进行比照；
  • MindInsight 调试器内置了品种丰盛，功能强大的查看能力，能够查看权重问题（例如权重不更新、权重更新过大、权重值过大 / 过小）、梯度问题（例如梯度隐没、梯度爆炸）、激活值问题（例如激活值饱和或过弱）、张量全为 0、NAN/INF、算子计算过程溢出等问题。

调试器应用教程：

https://www.mindspore.cn/tuto…

大多数状况下，SummaryCollector 会自动记录模型的 loss 曲线，能够通过 MindInsight 的标量可视模块查看。loss 曲线可能反映网络训练的动静趋势，通过观察 loss 曲线，能够 失去模型是否收敛、是否过拟合等信息。

大多数状况下，SummaryCollector 会自动记录模型参数变动状况（默认记录 5 个参数），能够通过 MindInsight 的参数分布图模块查看。如果想要记录更多参数的参数分布图，请参考 SummaryCollector 的 histogram_regular 参数（https://www.mindspore.cn/doc/…），或参考 HistogramSummary 算子（https://www.mindspore.cn/tuto…）。

张量不会被自动记录，如果想要通过 MindInsight 查看张量的具体取值，请应用 TensorSummary 算子（https://www.mindspore.cn/tuto…）。

上面联合 loss 曲线的常见景象介绍应用 MindInsight 进行精度问题定位的思路。

5.1 loss 跑飞

loss 跑飞是指 loss 中呈现了 NAN、+/-INF 或者特地大的值。loss 跑飞个别意味着算法设计或实现存在问题。定位思路如下：

  1. 回顾脚本、模型构造和数据，

1）查看超参是否有不合理的特地大 / 特地小的取值，

2）查看模型构造是否实现正确，特地是查看 loss 函数是否实现正确，

3）查看输出数据中是否有缺失值、是否有特地大 / 特地小的取值。

  1. 察看训练看板中的参数分布图，查看参数更新是否有显著的异样。若发现参数更新异样，能够联合调试器定位参数更新异样的起因。3. 应用调试器模块对训练现场进行查看。

1）若 loss 值呈现 NAN、+/-INF，可应用“查看张量溢出”条件增加全局监测点，定位首先呈现 NAN、+/-INF 的算子节点，查看算子的输出数据是否会导致计算异样（例如除零）。若是算子输出数据的问题，则能够针对性地退出小数值 epsilon 防止计算异样。

2）若 loss 值呈现特地大的值，可应用“查看过大张量”条件增加全局监测点，定位首先呈现大值的算子节点，查看算子的输出数据是否会导致计算异样。若输出数据自身存在异样，则能够持续向上追踪产生该输出数据的算子，直到定位出具体起因。

3）若狐疑参数更新、梯度等方面存在异样，可应用“查看权重变动过大”、“查看梯度隐没”、“查看梯度过大”等条件设置监测点，定位到异样的权重或梯度，而后联合张量查看视图，逐层向上对可疑的正向算子、反向算子、优化器算子等进行查看。

5.2 loss 收敛慢

loss 收敛慢是指 loss 震荡、收敛速度慢，通过很长时间能力达到预期值，或者最终也无奈收敛到预期值。相较于 loss 跑飞，loss 收敛慢的数值特色不显著，更难定位。定位思路如下：1. 回顾脚本、模型构造和数据，

1）查看超参是否有不合理的特地大 / 特地小的取值，特地是查看学习率是否设置过小或过大，学习率设置过小会导致收敛速度慢，学习率设置过大会导致 loss 震荡、不降落；

2）查看模型构造是否实现正确，特地是查看 loss 函数、优化器是否实现正确；

3）查看输出数据的范畴是否失常，特地是输出数据的值是否过小

  1. 察看训练看板中的参数分布图，查看参数更新是否有显著的异样。若发现参数更新异样，能够联合调试器定位参数更新异样的起因。3. 应用调试器模块对训练现场过程查看。

1）可应用“查看权重变动过小”、“查看未变动权重”条件对可训练（未固定）的权重进行监测，查看权重是否变动过小。若发现权重变动过小，可进一步查看学习率取值是否过小、优化器算法是否正确实现、梯度是否隐没，并做针对性的修复。

2）可应用“查看梯度隐没”条件对梯度进行监测，查看是否存在梯度隐没的景象。若发现梯度隐没，可进一步向上查看导致梯度隐没的起因。例如，能够通过“查看激活值范畴”条件查看是否呈现了激活值饱和、Relu 输入为 0 等问题。

5.3 其它 loss 景象

若训练集上 loss 为 0，个别阐明模型呈现了过拟合，请尝试增大训练集大小。

06 查看精度是否达到预期

MindInsight 能够为用户记录每次训练的精度后果。在 model.train 和 model.eval 中应用同一个 SummaryCollector 实例时，会自动记录模型评估（metrics）信息。训练完结后，能够通过 MindInsight 的模型溯源模块查看训练后果精度是否达标。

6.1 查看训练集上的精度

若训练集上模型的 loss 值、metric 值未达到预期，能够参考以下思路进行定位和优化：

  1. 回顾代码、模型构造、输出数据和 loss 曲线，

1）查看脚本，查看超参是否有不合理的值

2）查看模型构造是否实现正确

3）查看输出数据是否正确

4）查看 loss 曲线的收敛后果和收敛趋势是否存在异样

  1. 尝试应用 MindInsight 溯源剖析性能优化超参。溯源剖析页面会对超参的重要性进行剖析，用户应优先思考调整重要性高的超参，从散点图中能够察看出超参和优化指标的关系，从而针对性地调整超参取值。

  2. 尝试应用 MindInsight 调参器优化超参。请留神，调参器通过执行屡次残缺训练的形式进行超参搜寻，耗费的工夫为网络一次训练用时的若干倍，如果网络一次训练耗时较长，则超参搜寻将须要很长的工夫。调参器应用教程：https://www.mindspore.cn/tuto…
  3. 尝试应用 MindInsight 模型解释性能优化模型和数据集。模型解释性能能够通过显著图可视化展现对分类后果最重要的区域，还能够通过评分体系提醒应该对哪类标签进行优化。

模型解释应用教程：

https://www.mindspore.cn/tuto…

  1. 尝试优化模型构造 / 算法。

6.2 查看验证集上的精度

若训练集精度和验证集精度都未达到预期，则应首先参考上一节查看训练集精度。若训练集精度已达到预期，然而验证集精度未达到预期，大概率是模型呈现了过拟合，解决思路如下：

  1. 查看验证集评估脚本的评估逻辑有无谬误。特地是数据处理形式是否与训练集统一，推理算法有误谬误，是否加载了正确的模型 checkpoint。2. 减少数据量。包含减少样本量，进行数据加强和扰动等。3. 正则化。常见的技术如参数范数惩办（例如向指标函数中增加一个正则项），参数共享（强制模型的两个组件共享雷同的参数值），提前停止训练等。4. 适当升高模型的规模。例如缩小卷积层数等。

6.3 查看测试集上的精度

若验证集和测试集精度都未达到预期，则应首先参考上一节查看验证集精度。若验证集精度已达到预期，然而测试集精度未达到预期，思考到测试集的数据是模型从未见过的新数据，起因个别是测试集的数据分布和训练集的数据分布不统一。解决思路如下：

  1. 查看测试集评估脚本的评估逻辑有误谬误。特地是数据处理形式是否与训练集统一，推理算法有误谬误，是否加载了正确的模型 checkpoint。
  2. 查看测试集中的数据品质，例如数据的散布范畴是否显著同训练集不同，数据是否存在大量的噪声、缺失值或异样值。

07 小结

因为雷同的景象存在多个可能起因，精度问题的定位十分依赖专家教训。心愿上述定位办法和性能可能起到良好的疏导的作用，帮忙你一直积攒成功经验，成为精度调优巨匠。

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