Pytorch训练可视化包visdom的使用

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一、简介

Visdom是一个基于Python的可视化工具包，可以用于PyTorch等深度学习框架中的实时数据可视化。它提供了一个Web界面，可以方便地创建图表、散点图和直方图等可视化元素。相比tensorboard、rensorboardX具有更轻量、更便捷、更丰富、更快速等特点。

visdom的github主页：https://github.com/fossasia/visdom

visdom的中文参考文档：https://ptorch.com/news/77.html

visdom的优秀教程：https://blog.csdn.net/weixin_41010198/article/details/117853358

二、安装与启动

使用Visdom需要先安装visdom包，可以通过pip命令进行安装：

pip install visdom

接下来，在cmd或者Anaconda中使用python -m visdom.server启动服务。并在浏览器中输入提示的端口，并且需要保持黑框框（cmd、Anaconda）一直开启。


当你打开后，会呈现一个空白的界面，是因为目前还没有写入任何图形。

三、设计思路

假设你的电脑C盘中有很多文件夹，每个文件夹有很多文件，每个文件可以填入你想要的信息。

同样，visdom启动服务后，呈现出一个网页页面，会随时根据你电脑跑的程序中有关visdom的部分，呈现出可视化图。这个网页中，可以选择不同的文件夹进行存储，让你的图文件分门别类，比如程序A相关的图存在A文件夹中，程序B相关的图存在B文件夹下，当然也可以各个程序生成的图都存在C文件夹下。每个文件夹中可以画不同的图，每个图也可以画多个点、线、柱等等。

在每个文件夹下，可以存入视频、图像、文本等等

图像分为图片、以及生成的一些数据图，这里简单介绍一下生成的数据图，比如折线图

vis.scatter：2D或3D散点图
vis.line：线图
vis.stem：stem图
vis.heatmap：热图地块
vis.bar：条形图
vis.histogram：直方图
vis.boxplot：盒子
vis.surf：表面重复
vis.contour：等高线图
vis.quiver：颤抖的情节
vis.mesh：网格图
vis.dual_axis_lines：双y轴线图

四、在迭代训练中的绘图

首先创建一个可视化界面和文件夹：

import visdom

viz = visdom.Visdom(env='main-8')

其中env='main-8' 表示一个文件夹名称，main-8可以替换为其他名称，倘若不写该参数，则默认存储在env='main'中，接下来，我们使用viz进行操作，就意味着操作对应的图存在'main-8'中。
此时，打开网页，会看到有两个环境Environment，一个是“main”,一个是“main-8”

创建好文件夹后，接下来，我们在这个文件夹下面写一些图。
先打开网页，确保是“online”在线模式

为了模拟迭代过程，这里设计一个循环语句。执行代码

import visdom

viz = visdom.Visdom(env='main-8')

viz.line(X=[0.],  # x坐标
         Y=[0.],  # y值
        win="line1",  # 窗口id
        name="Adam梯度",  # 线条名称
        update='append',  # 以添加方式加入
        opts={
            'showlegend': True,  # 显示网格
            'title': "Demo line in Visdom",
            'xlabel': "x1",  # x轴标签
            'ylabel': "y1",  # y轴标签
        },)

for i in range(10):
    viz.line(X=[i], Y=[i*2],name="Adam梯度", win='line1', update='append')

    viz.line(X=[i], Y=[i**2],name="SGD梯度", win='line1', update='append')

    viz.line(X=[i], Y=[5*i+2],name="GDM梯度", win='line1', update='append')

先看一下，生成的结果。打开网页

假设现在我想要在main-8文件夹下面，画另外一个图，执行程序

import visdom

vizs = visdom.Visdom(env='main-8')

vizs.line(X=[0.],  # x坐标
         Y=[0.],  # y值
        win="line2",  # 窗口id
        name="Adam梯度",  # 线条名称
        update='append',  # 以添加方式加入
        opts={
            'showlegend': True,  # 显示网格
            'title': "Demo line in Visdom-1",
            'xlabel': "x1",  # x轴标签
            'ylabel': "y1",  # y轴标签
        },)

for i in range(10):
    vizs.line(X=[i], Y=[5*i**3],name="Adam梯度", win='line2', update='append')

    vizs.line(X=[i], Y=[i**2],name="SGD梯度", win='line2', update='append')

查看结果

上面的内容，还不具有一般性，下面给出部分代码示例和效果图，以满足实际中的复杂需求

背景：假设，现在有一批数据，数据来自总体一元线性方程，我们根据A、B、C三种梯度下降算法，在不同的采样率rate下，对比分析，三种梯度下降算法中的损失值、w值、b值。

描述：
图1：loss损失图，横轴为采样比rate、纵轴为loss损失值，图中有3个折线，对应A(无梯度)、B(小梯度)、C(随机梯度)三种梯度下降方法
同理，图2为w值图，图3为b值图,其余类似。

生成文件夹下面的三个图窗口，生成图窗口只需要执行一次就行，放在env='main-9'文件夹中

name_1 = '无梯度'
name_2 = '小梯度'
name_3 = '随机梯度'



import visdom

viz = visdom.Visdom(env='main-9')


window_loss = viz.line(
        X=[0.1],  # x坐标
        Y=[0.],  # y值
        win="line_loss_1",  # 窗口id
        name= name_1,  # 线条名称
        update='append',  # 以添加方式加入
        opts={
            'showlegend': True,  # 显示网格
            'title': "loss",
            'xlabel': "rate",  # x轴标签
            'ylabel': "loss",  # y轴标签
        },)

window_w = viz.line(
        X=[0.1],  # x坐标
         Y=[0.],  # y值
        win="line_w_1",  # 窗口id
        name=name_1,  # 线条名称
        update='append',  # 以添加方式加入
        opts={
            'showlegend': True,  # 显示网格
            'title': "W value",
            'xlabel': "rate",  # x轴标签
            'ylabel': "w",  # y轴标签
        },)


window_b = viz.line(
        X=[0.1],  # x坐标
         Y=[0.],  # y值
        win="line_b_1",  # 窗口id
        name=name_1,  # 线条名称
        update='append',  # 以添加方式加入
        opts={
            'showlegend': True,  # 显示网格
            'title': "b value",
            'xlabel': "rate",  # x轴标签
            'ylabel': "b",  # y轴标签
        },)

在迭代训练中，每次result生成的结果为([loss_A, loss_B, loss_C],[A_w,B_w, C_w],[A_b, B_b, C_b])

for i in range(9):
        va = 'append'
        if i == 0:
            va = "replace"

        rate += 0.1
        result = main()
        
        #result： ([loss_A, loss_B, loss_C],[A_w,B_w, C_w],[A_b, B_b, C_b])

        viz.line(X=[rate], Y=[result[0][0]],name=name_1, win=window_loss, update=va)
        viz.line(X=[rate], Y=[result[0][1]],name=name_2, win=window_loss, update=va)
        viz.line(X=[rate], Y=[result[0][2]],name=name_3, win=window_loss, update=va)
        viz.line(X=[rate], Y=[result[1][0]],name=name_1, win=window_w, update=va)
        viz.line(X=[rate], Y=[result[1][1]],name=name_2, win=window_w, update=va)
        viz.line(X=[rate], Y=[result[1][2]],name=name_3, win=window_w, update=va)
        viz.line(X=[rate], Y=[result[2][0]],name=name_1, win=window_b, update=va)
        viz.line(X=[rate], Y=[result[2][1]],name=name_2, win=window_b, update=va)
        viz.line(X=[rate], Y=[result[2][2]],name=name_3, win=window_b, update=va)

打开网页

倘若是在机器学习、深度学习中：

#训练模型
vis = visdom.Visdom(env='main')  # 设置环境窗口的名称,如果不设置名称就默认为main
opt = {
        'xlabel': 'epochs',
        'ylabel': 'loss_value',
        'title': 'SGD_loss'
    }
loss_window = vis.line(
    X=[0],
    Y=[0],
    opts=opt
)

for epoch in range(400):
    y_pred = model(x_data)
    loss = criterion(y_pred, y_data)
    print(epoch, loss.item())

    #所有梯度归零化
    optimizer.zero_grad()
    #反向传播求出梯度
    loss.backward()
    #更新权重和偏置值，即w和b
    optimizer.step()

    vis.line(X=[epoch], Y=[loss.item()], win=loss_window, opts=opt, update='append')

五、一般绘图

放在“main”下面,可忽略参数。在jupyter notebook中执行代码：

import visdom
import numpy as np

vis = visdom.Visdom()

vis.text('Hello, world!')
vis.image(np.ones((3, 10, 10)))

import visdom
vis = visdom.Visdom()

trace = dict(x=[1, 2, 3], y=[4, 5, 6], mode="markers+lines", type='custom',
             marker={'color': 'red', 'symbol': 104, 'size': "10"},
             text=["one", "two", "three"], name='1st Trace')
layout = dict(title="First Plot", xaxis={'title': 'x1'}, yaxis={'title': 'x2'})

vis._send({'data': [trace], 'layout': layout, 'win': 'mywin'})

from __future__ import absolute_import
from __future__ import division
from __future__ import print_function
from __future__ import unicode_literals

from visdom import Visdom
import numpy as np
import math
import os.path
import getpass
from sys import platform as _platform
from six.moves import urllib

viz = Visdom()
assert viz.check_connection()

try:
    import matplotlib.pyplot as plt
    plt.plot([1, 23, 2, 4])
    plt.ylabel('some numbers')
    viz.matplot(plt)
except BaseException as err:
    print('Skipped matplotlib example')
    print('Error message: ', err)

#单张
viz.image(
    np.random.rand(3, 512, 256),
    opts=dict(title='Random!', caption='How random.'),
)
#多张
viz.images(
    np.random.randn(20, 3, 64, 64),
    opts=dict(title='Random images', caption='How random.')
)

#画出随机的散点图
import time
Y = np.random.rand(100)
old_scatter = viz.scatter(
    X=np.random.rand(100, 2),
    Y=(Y[Y > 0] + 1.5).astype(int),
    opts=dict(
        legend=['Didnt', 'Update'],
        xtickmin=-50,
        xtickmax=50,
        xtickstep=0.5,
        ytickmin=-50,
        ytickmax=50,
        ytickstep=0.5,
        markersymbol='cross-thin-open',
    ),
)

time.sleep(5)

#对窗口进行更新,包括标注,坐标,样式等
viz.update_window_opts(
    win=old_scatter,
    opts=dict(
        legend=['Apples', 'Pears'],
        xtickmin=0,
        xtickmax=1,
        xtickstep=0.5,
        ytickmin=0,
        ytickmax=1,
        ytickstep=0.5,
        markersymbol='cross-thin-open',
    ),
)

## 通过update='new'添加新散点

import time
win = viz.scatter(
    X=np.random.rand(255, 2),
    opts=dict(
        markersize=10,
        markercolor=np.random.randint(0, 255, (255, 3,)),
    ),
)

# 判断窗口是否存在
assert viz.win_exists(win), 'Created window marked as not existing'
time.sleep(2)

# 向散点图中加入新的描述
viz.scatter(
    X=np.random.rand(255),
    Y=np.random.rand(255),
    win=win,
    name='new_trace',
    update='new'
)

# 2D散点图,分配不同颜色
viz.scatter(
    X=np.random.rand(255, 2),
    #随机指定1或者2
    Y=(np.random.rand(255) + 1.5).astype(int),
    opts=dict(
        markersize=10,
        ## 分配两种颜色
        markercolor=np.random.randint(0, 255, (2, 3,)),
    ),
)

#3D 散点图
viz.scatter(
    X=np.random.rand(100, 3),
    Y=(Y + 1.5).astype(int),
    opts=dict(
        legend=['Men', 'Women'],
        markersize=5,
    )
)

viz.line(Y=np.random.rand(10), opts=dict(showlegend=True))

Y = np.linspace(-5, 5, 100)
viz.line(
    Y=np.column_stack((Y * Y, np.sqrt(Y + 5))),
    X=np.column_stack((Y, Y)),
    opts=dict(markers=False),
)

viz.bar(X=np.random.rand(20))
viz.bar(
    X=np.abs(np.random.rand(5, 3)),
    opts=dict(
        stacked=True,
        legend=['Facebook', 'Google', 'Twitter'],
        rownames=['2012', '2013', '2014', '2015', '2016']
    )
)
viz.bar(
    X=np.random.rand(20, 3),
    opts=dict(
        stacked=False,
        legend=['The Netherlands', 'France', 'United States']
    )
)

viz.heatmap(
    X=np.outer(np.arange(1, 6), np.arange(1, 11)),
    opts=dict(
        columnnames=['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j'],
        rownames=['y1', 'y2', 'y3', 'y4', 'y5'],
        colormap='Electric',
    )
)
# contour
x = np.tile(np.arange(1, 101), (100, 1))
y = x.transpose()
X = np.exp((((x - 50) ** 2) + ((y - 50) ** 2)) / -(20.0 ** 2))
viz.contour(X=X, opts=dict(colormap='Viridis'))

# surface
viz.surf(X=X, opts=dict(colormap='Hot'))

# boxplot
X = np.random.rand(100, 2)
X[:, 1] += 2
viz.boxplot(
    X=X,
    opts=dict(legend=['Men', 'Women'])
)

# stemplot
Y = np.linspace(0, 2 * math.pi, 70)
X = np.column_stack((np.sin(Y), np.cos(Y)))
viz.stem(
    X=X,
    Y=Y,
    opts=dict(legend=['Sine', 'Cosine'])
)

# quiver plot
X = np.arange(0, 2.1, .2)
Y = np.arange(0, 2.1, .2)
X = np.broadcast_to(np.expand_dims(X, axis=1), (len(X), len(X)))
Y = np.broadcast_to(np.expand_dims(Y, axis=0), (len(Y), len(Y)))
U = np.multiply(np.cos(X), Y)
V = np.multiply(np.sin(X), Y)
viz.quiver(
    X=U,
    Y=V,
    opts=dict(normalize=0.9),
)

# text window with Callbacks
txt = 'This is a write demo notepad. Type below. Delete clears text:
'
callback_text_window = viz.text(txt)

# pie chart
X = np.asarray([19, 26, 55])
viz.pie(
X=X,
opts=dict(legend=['Residential', 'Non-Residential', 'Utility'])
)

# mesh plot
x = [0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1]
y = [0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0]
z = [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1]
X = np.c_[x, y, z]
i = [7, 0, 0, 0, 4, 4, 6, 6, 4, 0, 3, 2]
j = [3, 4, 1, 2, 5, 6, 5, 2, 0, 1, 6, 3]
k = [0, 7, 2, 3, 6, 7, 1, 1, 5, 5, 7, 6]
Y = np.c_[i, j, k]
viz.mesh(X=X, Y=Y, opts=dict(opacity=0.5))

生成的图片

六、基本调整与保存文件

在上面使用代码生成的这些图片，我应该怎么保存呢？我下次再打开网页，能不能还是显示这样的动态网页呢？我能不能调整某一个图片大小，显示它的数据之类的呢？答案是肯定的！

1、调整大小、拖拽：长按拖动即可，右下角落长按移动即可放大缩小

2、查看图片对应的数据：点击右下角Edit，会跳转到新网页，可以灵活进行数据调整

3、图内控件调整：比如，放大某一区域，或者图内整体放大缩小等等

4、保存单个图

5、保存整个环境：逐步将每个文件夹都保存一下

点击文件夹图标，然后更改名称，再点击fork,再点击“save”，即可保存，我们将上图中的4个文件夹都进行保存。

还有许多其他功能，自行了解
此时，可以关闭网页，关闭黑框框，不用担心数据丢失。

6、重新加载打开环境

很久以后，当我们需要查看这些图形的时候，不需要重新跑代码，直接启动服务，打开网页即可。

同样的操作：在黑框框中启动服务打开网页。使用python -m visdom.server启动服务。并在浏览器中输入提示的端口，那么我们就可以看到之前生成的图形了。

7、不小心关闭了网页

只要黑框框没有关闭，不小心将网页关闭了，没有关系，数据不会丢失，重新复制端口在浏览器中访问即可。

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