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# VisualDL 使用指南
### 概述
VisualDL 是一个面向深度学习任务设计的可视化工具。VisualDL 利用了丰富的图表来展示数据，用户可以更直观、清晰地查看数据的特征与变化趋势，有助于分析数据、及时发现错误，进而改进神经网络模型的设计。
目前，VisualDL 支持 scalar, image, audio，graph, histogram, pr curve, ROC curve, high dimensional 七个组件，项目正处于高速迭代中，敬请期待新组件的加入。
| 组件名称 | 展示图表 | 作用 |
| :----------------------------------------------------------: | :--------: | :----------------------------------------------------------- |
| [ Scalar](#Scalar--标量组件) | 折线图 | 动态展示损失函数值、准确率等标量数据 |
| [Image](#Image--图片可视化组件) | 图片可视化 | 显示图片，可显示输入图片和处理后的结果，便于查看中间过程的变化 |
| [Audio](#Audio--音频播放组件) | 音频可视化 | 播放训练过程中的音频数据，监控语音识别与合成等任务的训练过程 |
| [Graph](#Graph--网络结构组件) | 网络结构 | 展示网络结构、节点属性及数据流向，辅助学习、优化网络结构 |
| [Histogram](#Histogram--直方图组件) | 直方图 | 展示训练过程中权重、梯度等张量的分布 |
| [PR Curve](#PR-Curve--PR曲线组件) | 折线图 | 权衡精度与召回率之间的平衡关系 |
| [ROC Curve](#ROC-Curve--ROC曲线组件) | 折线图 | 展示不同阈值下的模型表现 |
| [High Dimensional](#High-Dimensional--数据降维组件) | 数据降维 | 将高维数据映射到 2D/3D 空间来可视化嵌入，便于观察不同数据的相关性 |
同时，VisualDL提供可视化结果保存服务，通过 [VDL.service](#vdlservice) 生成链接，保存并分享可视化结果
## Scalar--标量组件
### 介绍
Scalar 组件的输入数据类型为标量，该组件的作用是将训练参数以折线图形式呈现。将损失函数值、准确率等标量数据作为参数传入 scalar 组件，即可画出折线图，便于观察变化趋势。
### 记录接口
Scalar 组件的记录接口如下：
```python
add_scalar(tag, value, step, walltime=None)
```
接口参数说明如下：
| 参数 | 格式 | 含义 |
| -------- | ------ | ------------------------------------------- |
| tag | string | 记录指标的标志，如`train/loss`，不能含有`%` |
| value | float | 要记录的数据值 |
| step | int | 记录的步数 |
| walltime | int | 记录数据的时间戳，默认为当前时间戳 |
*注意tag的使用规则为：
1. 第一个`/`前的为父tag，并作为一栏图片的tag
2. 第一个`/`后的为子tag，子tag的对应图片将显示在父tag下
3. 可以使用多次`/`，但一栏图片的tag依旧为第一个`/`前的tag
具体使用参见以下三个例子：
- 创建train为父tag，acc和loss为子tag：`train/acc`、 `train/loss`，即创建了tag为train的图片栏，包含acc和loss两张图表：
- 创建train为父tag，test/acc和test/loss为子tag：`train/test/acc`、 `train/test/loss`，即创建了tag为train的图片栏，包含test/acc和test/loss两张图表：
- 创建两个父tag：`acc`、 `loss`，即创建了tag分别为acc和loss的两个图表栏：：
### Demo
- 基础使用
下面展示了使用 Scalar 组件记录数据的示例，代码见[Scalar组件](https://github.com/PaddlePaddle/VisualDL/blob/develop/demo/components/scalar_test.py)
```python
from visualdl import LogWriter
if __name__ == '__main__':
value = [i/1000.0 for i in range(1000)]
# 初始化一个记录器
with LogWriter(logdir="./log/scalar_test/train") as writer:
for step in range(1000):
# 向记录器添加一个tag为`acc`的数据
writer.add_scalar(tag="acc", step=step, value=value[step])
# 向记录器添加一个tag为`loss`的数据
writer.add_scalar(tag="loss", step=step, value=1/(value[step] + 1))
```
运行上述程序后，在命令行执行
```shell
visualdl --logdir ./log --port 8080
```
接着在浏览器打开`http://127.0.0.1:8080`，即可查看以下折线图。
- 多组实验对比
下面展示了使用Scalar组件实现多组实验对比
多组实验对比的实现分为两步：
1. 创建子日志文件储存每组实验的参数数据
2. 将数据写入scalar组件时，**使用相同的tag**，即可实现对比**不同实验**的**同一类型参数**
```python
from visualdl import LogWriter
if __name__ == '__main__':
value = [i/1000.0 for i in range(1000)]
# 步骤一：创建父文件夹：log与子文件夹：scalar_test
with LogWriter(logdir="./log/scalar_test") as writer:
for step in range(1000):
# 步骤二：向记录器添加一个tag为`train/acc`的数据
writer.add_scalar(tag="train/acc", step=step, value=value[step])
# 步骤二：向记录器添加一个tag为`train/loss`的数据
writer.add_scalar(tag="train/loss", step=step, value=1/(value[step] + 1))
# 步骤一：创建第二个子文件夹scalar_test2
value = [i/500.0 for i in range(1000)]
with LogWriter(logdir="./log/scalar_test2") as writer:
for step in range(1000):
# 步骤二：在同样名为`train/acc`下添加scalar_test2的accuracy的数据
writer.add_scalar(tag="train/acc", step=step, value=value[step])
# 步骤二：在同样名为`train/loss`下添加scalar_test2的loss的数据
writer.add_scalar(tag="train/loss", step=step, value=1/(value[step] + 1))
```
运行上述程序后，在命令行执行
```shell
visualdl --logdir ./log --port 8080
```
接着在浏览器打开`http://127.0.0.1:8080`，即可查看以下折线图，观察scalar_test和scalar_test2的accuracy和loss的对比。
*多组实验对比的应用案例可参考AI Studio项目：[VisualDL 2.0--眼疾识别训练可视化](https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/502834)
### 功能操作说明
* 支持数据卡片「最大化」、「还原」、「坐标系转化」（y轴对数坐标）、「下载」折线图
* 数据点Hover展示详细信息
* 可搜索卡片标签，展示目标图像
* 可搜索打点数据标签，展示特定数据
* 选择显示最值，展示最大最小值以及对应的训练步数
* 选择仅显示平滑后的数据
* X轴有三种衡量尺度
1. Step：迭代次数
2. Walltime：训练绝对时间
3. Relative：训练时长
* 可调整曲线平滑度，以便更好的展现参数整体的变化趋势
## Image--图片可视化组件
### 介绍
Image 组件用于显示图片数据随训练的变化。在模型训练过程中，将图片数据传入 Image 组件，就可在 VisualDL 的前端网页查看相应图片。
### 记录接口
Image 组件的记录接口如下：
```python
add_image(tag, img, step, walltime=None, dataformats="HWC")
```
接口参数说明如下：
| 参数 | 格式 | 含义 |
| -------- | ------------- | ------------------------------------------- |
| tag | string | 记录指标的标志，如`train/loss`，不能含有`%` |
| img | numpy.ndarray | 以ndarray格式表示的图片 |
| step | int | 记录的步数 |
| walltime | int | 记录数据的时间戳，默认为当前时间戳 |
| dataformats| string | 传入的图片格式，包括`NCHW`、`HWC`、`HW`，默认为`HWC`|
### Demo
下面展示了使用 Image 组件记录数据的示例，代码文件请见[Image组件](https://github.com/PaddlePaddle/VisualDL/blob/develop/demo/components/image_test.py)
```python
import numpy as np
from PIL import Image
from visualdl import LogWriter
def random_crop(img):
"""获取图片的随机 100x100 分片
"""
img = Image.open(img)
w, h = img.size
random_w = np.random.randint(0, w - 100)
random_h = np.random.randint(0, h - 100)
r = img.crop((random_w, random_h, random_w + 100, random_h + 100))
return np.asarray(r)
if __name__ == '__main__':
# 初始化一个记录器
with LogWriter(logdir="./log/image_test/train") as writer:
for step in range(6):
# 添加一个图片数据
writer.add_image(tag="eye",
img=random_crop("../../docs/images/eye.jpg"),
step=step)
```
运行上述程序后，在命令行执行
```shell
visualdl --logdir ./log --port 8080
```
在浏览器输入`http://127.0.0.1:8080`，即可查看图片数据。
### 功能操作说明
- 可搜索图片标签显示对应图片数据
- 支持滑动Step/迭代次数查看不同迭代次数下的图片数据
## Audio--音频播放组件
### 介绍
Audio组件实时查看训练过程中的音频数据，监控语音识别与合成等任务的训练过程。
### 记录接口
Audio 组件的记录接口如下：
```python
add_audio(tag, audio_array, step, sample_rate)
```
接口参数说明如下：
| 参数 | 格式 | 含义 |
| -------- | ------------- | ------------------------------------------- |
| tag | string | 记录指标的标志，如`audio_tag`，不能含有`%` |
| audio_arry | numpy.ndarray | 以ndarray格式表示的音频 |
| step | int | 记录的步数 |
| sample_rate | int | 采样率，**注意正确填写对应音频的采样率** |
### Demo
下面展示了使用 Audio 组件记录数据的示例，代码文件请见[Audio组件](https://github.com/PaddlePaddle/VisualDL/blob/develop/demo/components/audio_test.py)
```python
from visualdl import LogWriter
from scipy.io import wavfile
if __name__ == '__main__':
with LogWriter(logdir="./log/audio_test/train") as writer:
sample_rate, audio_data = wavfile.read('./test.wav')
writer.add_audio(tag="audio_tag",
audio_array=audio_data,
step=0,
sample_rate=sample_rate)
```
运行上述程序后，在命令行执行
```shell
visualdl --logdir ./log --port 8080
```
在浏览器输入`http://127.0.0.1:8080`，即可查看音频数据。
### 功能操作说明
- 可搜索音频标签显示对应音频数据
- 支持滑动Step/迭代次数查看不同迭代次数下的音频数据
- 支持播放/暂停音频数据
- 支持音量调节
- 支持音频下载
## Graph--网络结构组件
### 介绍
Graph组件一键可视化模型的网络结构。用于查看模型属性、节点信息、节点输入输出等，并进行节点搜索，协助开发者们快速分析模型结构与了解数据流向。
### Demo
共有两种启动方式：
- 前端启动Graph：
- 如只需使用Graph，无需添加任何参数，在命令行执行`visualdl`后即可启动。
- 如果同时需使用其他功能，在命令行指定日志文件路径（以`./log`为例），即可启动：
```shell
visualdl --logdir ./log --port 8080
```
- 后端启动Graph：
- 在命令行加入参数`--model`并指定**模型文件**路径（非文件夹路径），即可启动：
```shell
visualdl --model ./log/model --port 8080
```
*Graph目前只支持可视化网络结构格式的模型文件（如__model__（注意此处为两个下划线'_'））
启动后即可查看网络结构可视化：
### 功能操作说明
- 一键上传模型
- 支持模型格式：PaddlePaddle、ONNX、Keras、Core ML、Caffe、Caffe2、Darknet、MXNet、ncnn、TensorFlow Lite
- 实验性支持模型格式：TorchScript、PyTorch、Torch、 ArmNN、BigDL、Chainer、CNTK、Deeplearning4j、MediaPipe、ML.NET、MNN、OpenVINO、Scikit-learn、Tengine、TensorFlow.js、TensorFlow
- 支持上下左右任意拖拽模型、放大和缩小模型
- 搜索定位到对应节点
- 点击查看模型属性
- 支持选择模型展示的信息
- 支持以PNG、SVG格式导出文件
- 点击节点即可展示对应属性信息
- 支持一键更换模型
## Histogram--直方图组件
### 介绍
Histogram组件以直方图形式展示Tensor（weight、bias、gradient等）数据在训练过程中的变化趋势。深入了解模型各层效果，帮助开发者精准调整模型结构。
### 记录接口
Histogram 组件的记录接口如下：
```python
add_histogram(tag, values, step, walltime=None, buckets=10)
```
接口参数说明如下：
| 参数 | 格式 | 含义 |
| -------- | --------------------- | ------------------------------------------- |
| tag | string | 记录指标的标志，如`train/loss`，不能含有`%` |
| values | numpy.ndarray or list | 以ndarray或list格式表示的数据 |
| step | int | 记录的步数 |
| walltime | int | 记录数据的时间戳，默认为当前时间戳 |
| buckets | int | 生成直方图的分段数，默认为10 |
### Demo
下面展示了使用 Histogram组件记录数据的示例，代码见[Histogram组件](https://github.com/PaddlePaddle/VisualDL/blob/develop/demo/components/histogram_test.py)
```python
from visualdl import LogWriter
import numpy as np
if __name__ == '__main__':
values = np.arange(0, 1000)
with LogWriter(logdir="./log/histogram_test/train") as writer:
for index in range(1, 101):
interval_start = 1 + 2 * index / 100.0
interval_end = 6 - 2 * index / 100.0
data = np.random.uniform(interval_start, interval_end, size=(10000))
writer.add_histogram(tag='default tag',
values=data,
step=index,
buckets=10)
```
运行上述程序后，在命令行执行
```shell
visualdl --logdir ./log --port 8080
```
在浏览器输入`http://127.0.0.1:8080`，即可查看训练参数直方图。
### 功能操作说明
- 支持数据卡片「最大化」、「下载」直方图
- 可选择Offset或Overlay模式
- Offset模式
- Overlay模式
- 数据点Hover展示参数值、训练步数、频次
- 在第240次训练步数时，权重为-0.0031，且出现的频次是2734次
- 可搜索卡片标签，展示目标直方图
- 可搜索打点数据标签，展示特定数据流
## PR Curve--PR曲线组件
### 介绍
PR Curve以折线图形式呈现精度与召回率的权衡分析，清晰直观了解模型训练效果，便于分析模型是否达到理想标准。
### 记录接口
PR Curve组件的记录接口如下：
```python
add_pr_curve(tag, labels, predictions, step=None, num_thresholds=10)
```
接口参数说明如下：
| 参数 | 格式 | 含义 |
| -------------- | --------------------- | ------------------------------------------- |
| tag | string | 记录指标的标志，如`train/loss`，不能含有`%` |
| labels | numpy.ndarray or list | 以ndarray或list格式表示的实际类别 |
| predictions | numpy.ndarray or list | 以ndarray或list格式表示的预测类别 |
| step | int | 记录的步数 |
| num_thresholds | int | 阈值设置的个数，默认为10，最大值为127 |
| weights | float | 用于设置TP/FP/TN/FN在计算precision和recall时的权重 |
| walltime | int | 记录数据的时间戳，默认为当前时间戳 |
### Demo
下面展示了使用 PR Curve 组件记录数据的示例，代码见[PR Curve组件](https://github.com/PaddlePaddle/VisualDL/blob/develop/demo/components/pr_curve_test.py)
```python
from visualdl import LogWriter
import numpy as np
with LogWriter("./log/pr_curve_test/train") as writer:
for step in range(3):
labels = np.random.randint(2, size=100)
predictions = np.random.rand(100)
writer.add_pr_curve(tag='pr_curve',
labels=labels,
predictions=predictions,
step=step,
num_thresholds=5)
```
运行上述程序后，在命令行执行
```shell
visualdl --logdir ./log --port 8080
```
接着在浏览器打开`http://127.0.0.1:8080`，即可查看PR Curve
### 功能操作说明
- 支持数据卡片「最大化」、「还原」、「下载」PR曲线
- 数据点Hover展示详细信息：阈值对应的TP、TN、FP、FN
- 可搜索卡片标签，展示目标图表
- 可搜索打点数据标签，展示特定数据
- 支持查看不同训练步数下的PR曲线
- X轴-时间显示类型有三种衡量尺度
- Step：迭代次数
- Walltime：训练绝对时间
- Relative：训练时长
## ROC Curve--ROC曲线组件
### 介绍
ROC曲线展示不同不同阈值下模型的表现（TPR、TNR），曲线下面积越大，模型表现越好，辅助开发者进行阈值选择以及直观的掌握模型训练情况。
### 记录接口
ROC Curve组件的记录接口如下：
```python
add_roc_curve(tag, labels, predictions, step=None, num_thresholds=10)
```
接口参数说明如下：
| 参数 | 格式 | 含义 |
| -------------- | --------------------- | ------------------------------------------- |
| tag | string | 记录指标的标志，如`train/loss`，不能含有`%` |
| labels | numpy.ndarray or list | 以ndarray或list格式表示的实际类别 |
| predictions | numpy.ndarray or list | 以ndarray或list格式表示的预测类别 |
| step | int | 记录的步数 |
| num_thresholds | int | 阈值设置的个数，默认为10，最大值为127 |
| weights | float | 用于设置TP/FP/TN/FN在计算precision和recall时的权重 |
| walltime | int | 记录数据的时间戳，默认为当前时间戳 |
### Demo
下面展示了使用 ROC Curve 组件记录数据的示例，代码见[ROC Curve组件](https://github.com/YixinKristy/VisualDL/blob/develop/demo/components/roc_curve_test.py)
```python
from visualdl import LogWriter
import numpy as np
with LogWriter("./log/roc_curve_test/train") as writer:
for step in range(3):
labels = np.random.randint(2, size=100)
predictions = np.random.rand(100)
writer.add_roc_curve(tag='roc_curve',
labels=labels,
predictions=predictions,
step=step,
num_thresholds=5)
```
运行上述程序后，在命令行执行
```shell
visualdl --logdir ./log --port 8080
```
接着在浏览器打开`http://127.0.0.1:8080`，即可查看ROC Curve
*Note：ROC前端页面使用和PR相同，请参考上述PR Curve的使用说明。
## High Dimensional--数据降维组件
### 介绍
High Dimensional 组件将高维数据进行降维展示，用于深入分析高维数据间的关系。目前支持以下两种降维算法：
- PCA : Principle Component Analysis 主成分分析
- t-SNE : t-distributed stochastic neighbor embedding t-分布式随机领域嵌入
- umap: uniform manifold approximation and projection for dimension reduction 流形学习降维算法
### 记录接口
High Dimensional 组件的记录接口如下：
```python
add_embeddings(tag, labels, hot_vectors, walltime=None)
```
接口参数说明如下：
| 参数 | 格式 | 含义 |
| ----------- | ------------------- | ---------------------------------------------------- |
| tag | string | 记录指标的标志，如`default`，不能含有`%` |
| labels | numpy.array 或 list | 一维数组表示的标签，每个元素是一个string类型的字符串 |
| hot_vectors | numpy.array or list | 与labels一一对应，每个元素可以看作是某个标签的特征 |
| walltime | int | 记录数据的时间戳，默认为当前时间戳 |
### Demo
下面展示了使用 High Dimensional 组件记录数据的示例，代码见[High Dimensional组件](https://github.com/PaddlePaddle/VisualDL/blob/develop/demo/components/high_dimensional_test.py)
```python
from visualdl import LogWriter
if __name__ == '__main__':
hot_vectors = [
[1.3561076367500755, 1.3116267195134017, 1.6785401875616097],
[1.1039614644440658, 1.8891609992484688, 1.32030488587171],
[1.9924524852447711, 1.9358920727142739, 1.2124401279391606],
[1.4129542689796446, 1.7372166387197474, 1.7317806077076527],
[1.3913371800587777, 1.4684674577930312, 1.5214136352476377]]
labels = ["label_1", "label_2", "label_3", "label_4", "label_5"]
# 初始化一个记录器
with LogWriter(logdir="./log/high_dimensional_test/train") as writer:
# 将一组labels和对应的hot_vectors传入记录器进行记录
writer.add_embeddings(tag='default',
labels=labels,
hot_vectors=hot_vectors)
```
运行上述程序后，在命令行执行
```shell
visualdl --logdir ./log --port 8080
```
接着在浏览器打开`http://127.0.0.1:8080`，即可查看降维后的可视化数据。
### 功能操作说明
* 支持选择特定实验数据进行展示，且支持根据所选择的数据标签进行展示
* 降维方式--TSNE
* 降维方式--PCA
* 降维方式--UMAP
## VDL.service
### 简介
VisualDL可视化结果保存服务，以链接形式将可视化结果保存下来，方便用户快速、便捷的进行托管与分享。
### 使用步骤
1. 确保VisualDL已升级到最新版本，如未升级，请使用以下命令进行升级
```
pip install visualdl --upgrade
```
2. 上传需保存/分享的日志/模型文件
```
visualdl service upload --logdir ./log \
--model ./__model__
```
3. VDL.service将返回一个URL链接，复制粘贴链接至浏览器中即可查看可视化结果
