移除"训练必须有 Nvidia GPU"的硬性守卫,改为按后端能力分派。
- utils/device: resolve_device("auto") 按 cuda > mps > cpu 挑最快的可用后端;
显式指定不可用的后端时直接报错,不会悄悄退回 CPU——训练慢几十倍却不吭声是最坏的情况
- AMP 随后端取默认值:CUDA 开、MPS 关。MPS 上 autocast 数值正常但实测更慢
(tiny_conv @128²:fp32 76 ms/步、fp16 90 ms、bf16 108 ms),需要时 amp: true 可强开
- PeakMemory 统一显存峰值统计:CUDA 读内置计数器,MPS 无峰值 API 改用逐 step 采样
(是下界,日志与产出里已标注)
- profile_inference 支持 MPS,并提示 torch.profiler 没有 MPS 的 ProfilerActivity,
算子明细只反映 CPU 侧下发耗时
- train.py / eval.py 新增 --device,配置默认改为 auto
- check_env 改为列出全部可用后端与 auto 的选择结果
实测:tiny_conv 训练在 MPS 上比 CPU 快约 32 倍。
Co-Authored-By: Claude Opus 5 <noreply@anthropic.com>
ModelTrainEval
薄膜缺陷分类 + 定位模型的训练与评估。模型最终部署在实时设备上,因此只使用基于 convolution 的结构(不含 attention / transformer),并支持导出 ONNX。
目录
| 目录 | 作用 |
|---|---|
configs/ |
yaml 配置(model/ 模型、dataset/ 数据、train/ 训练、eval/ 评估) |
models/ |
模型骨架:backbones/ + necks/ + heads/,由 defect_net.py 组装 |
datasets/ |
抛出数据样本的 Dataset 类、数据增强、监督信号编码 |
data/ |
数据集本体或软链接(不入库,见 data/README.md) |
scripts/ |
格式转换、数据集切分、ONNX 导出等批处理脚本 |
engine/ |
训练 / 评估循环、损失、指标、优化器、检查点、SwanLab 可视化 |
utils/ |
配置、注册表、日志、随机种子、GPU 守卫 |
tests/ |
单元测试 |
docs/ |
算法与数学说明文档 |
figures/ |
文档用的 mermaid 图(.mmd 源 + .md 预览 + .png) |
环境
uv sync # 安装依赖(含 swanlab)
uv sync --group export # 需要导出 ONNX 时再装
uv run python scripts/check_env.py # 自检(Python / PyTorch / Nvidia GPU)
训练机必须有 Nvidia GPU。 所有训练入口先调用
utils.device.require_cuda(), 检测不到 CUDA 构建的 PyTorch 或可用 GPU 时直接报错退出。评估与 ONNX 导出允许 CPU。 Linux 上 PyPI 的 torch 即 CUDA 构建;如需指定 CUDA 版本:uv pip install --index-url https://download.pytorch.org/whl/cu124 torch torchvision
数据准备
标注为 YOLO 风格:images/ 下每张图在同层 labels/ 有一个同名 .txt,
每行 class_id cx cy w h(相对宽高归一化到 [0,1]),空文件或缺失 .txt 即无缺陷样本。
data/film/
├── images/{train,val}/0001.png
├── labels/{train,val}/0001.txt
└── data.yaml # path / train / val / nc / names
# 1. labelme / VOC -> YOLO txt(顺带生成 data.yaml)
uv run python scripts/convert_annotations.py --format labelme \
--input data/film/labelme --images data/film/images \
--output data/film/labels --data-yaml data/film/data.yaml
# 2. 切分 train / val(默认建软链,不复制数据)
uv run python scripts/split_dataset.py --images data/film/images \
--labels data/film/labels --val-ratio 0.2 --data-yaml data/film/data.yaml
配置里的 classes 既可以直接写类别列表,也可以写成 data/film/data.yaml,由框架读 names。
读取时也接受 YOLO 分割格式的多边形行(取外接矩形)。细节见 data/README.md
与 datasets/yolo.py。
训练与评估
uv run python train.py --config configs/train/baseline.yaml
uv run python train.py --config configs/train/baseline.yaml --set train.epochs=10 train.optimizer.lr=5e-4
uv run python train.py --config configs/train/baseline.yaml --resume runs/baseline/last.pth
uv run python eval.py --config configs/eval/baseline.yaml --checkpoint runs/baseline/best.pth
uv run python scripts/export_onnx.py --config configs/train/baseline.yaml \
--checkpoint runs/baseline/best.pth --output runs/baseline/model.onnx
产物写在 work_dir(默认 runs/<name>/):train.log、config.yaml、last.pth、best.pth、swanlog/。
多类 / 单类分类
图像级分类的形式由 yaml 的 label_mode 决定,模型的分类头、分类损失、分类指标都跟着切换
(定位分支不受影响,始终按 classes 逐类输出 heatmap):
label_mode |
含义 | 分类头输出 | 损失 | 主要指标 |
|---|---|---|---|---|
multilabel(默认) |
多类:一张图可同时含多种缺陷,全 0 表示 OK 片 | len(classes) |
逐类 BCE | micro P/R/F1、cls_exact_match |
multiclass |
单类:一张图只归一个类别,互斥 | len(classes) + 1(末位为"无缺陷") |
softmax CE | cls_accuracy、macro P/R/F1 |
uv run python train.py --config configs/train/baseline.yaml # 多类
uv run python train.py --config configs/train/multiclass.yaml # 单类
uv run python train.py --config configs/train/baseline.yaml --set label_mode=multiclass
单类模式下若一张图标注了多种缺陷,取框数最多的类别(并列取下标最小的);
无缺陷样本落到背景下标 len(classes)。两种模式的分类指标都含 cls_f1,
因此 train.monitor 不必跟着改。
训练可视化(SwanLab)
训练过程通过 SwanLab 记录:按 step 记录各项损失与学习率,按 epoch 记录
验证指标与显存峰值,实验的超参就是完整的 yaml 配置。在 train.swanlab 里配置:
train:
swanlab:
enabled: true
project: film-defect
name: null # 缺省用 work_dir 目录名
mode: online # online(云端) | local(本地看板) | offline(仅存盘) | disabled
tags: [tiny_conv, center-head]
swanlab login # 首次使用云端模式需登录
uv run python train.py --config configs/train/baseline.yaml --set train.swanlab.mode=offline
uv run swanlab watch runs/baseline/swanlog # 本地看板
未安装 swanlab、未登录或网络不通时会打一条警告并继续训练,不会中断。关掉用
--set train.swanlab.enabled=false。
推理性能与显存分析
部署前用 torch.profiler 看单帧耗时与显存占用:
uv run python scripts/profile_inference.py --config configs/train/baseline.yaml \
--checkpoint runs/baseline/best.pth --batch-size 1 4 8 --postprocess
# 导出 chrome trace,用 chrome://tracing 或 ui.perfetto.dev 打开
uv run python scripts/profile_inference.py --config configs/train/baseline.yaml \
--checkpoint runs/baseline/best.pth --trace runs/baseline/trace.json --out runs/baseline/profile.json
输出包含:每个 batch 的单帧延迟 / FPS、CUDA 显存峰值(max_memory_allocated 与
max_memory_reserved)、权重占用,以及按显存和耗时各排一次序的算子级明细。
--amp 用 fp16 推理对比,--postprocess 把 heatmap 解码也计入。没有 GPU 时自动退回 CPU
(只有耗时与 CPU 内存)。
未分类样本的无监督聚类
data/film 里大量样本还没人工分完。这条流水线把目录下所有图片拉平(不看任何
目录名),做无监督聚类,产出可人工核对的分组:
# ImageNet 预训练卷积特征,不训练,CPU 上 14.5k 张约 100 秒
uv run python scripts/cluster_unlabeled.py --config configs/cluster/film.yaml
# 先扫一遍簇数再决定分几类
uv run python scripts/cluster_unlabeled.py --config configs/cluster/film.yaml --sweep-k 2-8
# 换成在本地数据上自监督训练的特征(SimCLR,属于训练,需要 Nvidia GPU)
uv run python scripts/cluster_unlabeled.py --config configs/cluster/film.yaml --set method=simclr
簇数由配置的 num_clusters 决定,也可以 --num-clusters 6 临时覆盖(实测 4 类的换种子稳定性最高,见文档 §10.4)。产出在 work_dir:
assignments.csv(每张图的簇号与到质心的距离)、summary.json、
clusters/cluster_XX/(按簇建的软链目录,直接用看图软件翻)、
cluster_XX_preview.png(每簇最靠近质心的代表样本拼图)。
翻图时注意 clusters/ 里文件名前缀是排序号:0000_ 最靠近质心(最典型),
末尾 20 张是离质心最远的离群样本——最能暴露这个簇是不是混了东西。
尺寸不统一的处理:这批图是已裁好的缺陷小图,中位 152×113,宽高比从 0.24 到 39.9。 尺寸和宽高比是上游 ROI 裁剪的产物、不是缺陷属性,所以预处理的目标是把它抹掉: 直接拉伸到 128×128(不用 letterbox——填充比例等价于把宽高比明着喂给网络), 再做逐图 z-score 抹掉整体亮度/对比度。
无标签时用两个指标判断质量:轮廓系数(簇是否紧致)和换随机种子的稳定性 (同一份数据换初始化后划分是否还一样,低说明是在硬切一团连续数据)。
完整的数学推导、算法流程图与全部消融数据见 docs/unsupervised-clustering.md。
自监督预训练(SimCLR)
method: pretrained(默认)用 ImageNet 权重直接抽特征,不训练;method: simclr 则在
本批薄膜图上自监督训练一个项目自己的纯卷积骨架,域适配更好。同一张图的两个随机增强
视图互为正样本,batch 内其余 2B−2 个视图为负样本,用 NT-Xent 损失训练。
这属于训练,因此必须有 Nvidia GPU(走 utils.device.require_cuda() 守卫,
在无卡机器上会直接报错退出):
# 1. 自监督训练 + 聚类一步跑完(首次运行)
uv run python scripts/cluster_unlabeled.py --config configs/cluster/film.yaml --set method=simclr
# 2. 只想改簇数、复用已经训好的骨架:把权重路径填进 simclr.checkpoint
uv run python scripts/cluster_unlabeled.py --config configs/cluster/film.yaml --set method=simclr simclr.checkpoint=runs/cluster/simclr_backbone.pth --num-clusters 6
# 3. 调训练超参
uv run python scripts/cluster_unlabeled.py --config configs/cluster/film.yaml --set method=simclr simclr.epochs=200 simclr.batch_size=512 simclr.temperature=0.1
训练完权重存到 <work_dir>/simclr_backbone.pth(只含骨架,不含投影头——投影头被训练成
对增强不变,会丢掉下游有用的信息,所以聚类和保存都只用骨架特征)。相关配置:
method: simclr
simclr:
# 自监督用项目自己的纯卷积骨架(与 method=pretrained 的顶层 `backbone` 各自独立,
# 两者字段完全不同,分开配置以免 _base_ 合并时串味)
backbone: {name: tiny_conv, in_channels: 3, widths: [32, 64, 128, 256], depths: [1, 2, 2, 2]}
epochs: 100
batch_size: 256
temperature: 0.2 # 越小越关注难负样本
amp: true
checkpoint: null # 填已有权重可跳过重复训练
projection: {hidden_channels: 256, out_channels: 128}
optimizer: {name: adamw, lr: 0.001, weight_decay: 0.0001}
scheduler: {name: cosine}
view_transforms: # 生成两个视图的随机增强
- {name: RandomResizedCrop, size: [128, 128], scale: [0.5, 1.0]}
- {name: RandomHorizontalFlip, p: 0.5}
- {name: RandomVerticalFlip, p: 0.5}
- {name: GaussianBlur, p: 0.3}
RandomResizedCrop的scale下限别低于 0.4:裁太狠会让两个视图都只剩背景, "背景 vs 背景"被当成正样本对,学出来的特征会退化。
训练出的骨架和检测模型用的是同一套卷积骨架,可以直接拿去初始化 DefectNet 的 backbone——
标注量有限时,通常比 ImageNet 权重更贴合薄膜的成像特性。
方法
- 骨架:
tiny_conv(自研深度可分离卷积,默认)或torchvision(resnet / mobilenet / shufflenet)。 - neck:nearest 上采样 + 3×3 卷积,把特征恢复到 stride 4,兼顾小缺陷定位与速度。
- 定位头:anchor-free 中心点(CenterNet 风格)——
heatmap+wh+offset, 推理端用 3×3 max-pool 做峰值抑制,无 NMS 循环,便于导出到 TensorRT / OpenVINO。 - 分类头:全局池化 + 全连接,输出多热标签(一张图可同时含多种缺陷,全 0 表示 OK 片)。
- 指标:定位 precision / recall / F1 / mean IoU(IoU 阈值匹配),分类 micro-F1 与整图完全正确率。
train.monitor决定用哪个指标挑选best.pth。
配置支持 _base_ 继承与命令行 --set a.b.c=value 覆盖,见 utils/config.py。
新增骨架 / 数据集只需用注册表装饰器注册,再在 yaml 里按 name 引用。
开发
uv run pytest # 单元测试
uv run ruff check . # 静态检查