NeRF学习——复现训练中的问题记录

标签：loss psnr 迭代训练 evaluate 复现 os NeRF

代码复现的框架是基于：pengsida 的 Learning NeRF

希望各位可以通过学习 NeRF-Pytorch 的源码来自己复现一下试试看！

文章目录

1 Windows bug
2 训练问题

1 Windows bug

源代码框架是基于 Linux 的，我在 Windows 上进行复现有以下的 bug，Windows 上 bug 修复的框架版本：Learning NeRF

1.1 DataLoader 的多进程 pickle

在刚开始执行时就遇到了这个错误，开始以为是环境问题，结果鼓捣半天没用，仔细分析了一下错误原因，发现主要是这句话的原因

for iteration, batch in enumerate(data_loader):

也就是序列化的问题，后面还给出了多进程的报错，就应该是多进程的pickle问题，网上一搜，还真是，可能是Windows系统的原因导致的，在 configs 中的配置文件中修改 num_workers = 0，不使用多进程，就解决了报错（速度应该没啥影响）

1.2 imageio 输出图片

在执行到 evaluate 时，输出图片出了下面的错误：

envs\NeRFlearning\Lib\site-packages\PIL\Image.py", line 3102, in fromarray raise TypeError(msg) from e TypeError: Cannot handle this data type: (1, 1, 3), <f4

这是因为 imageio.imwrite 函数需要接收的图像数据类型为 uint8 ，而原始的 pred_rgb 和 gt_rgb 可能是浮点数类型的数据。因此，我们需要将它们乘以255（将范围从0-1转换为0-255），然后使用 astype 函数将它们转换为 uint8 类型

# 将数据类型转换为 uint8
pred_rgb = (pred_rgb * 255).astype(np.uint8)
gt_rgb = (gt_rgb * 255).astype(np.uint8)
# 需要添加以上两行，否则报错
imageio.imwrite(save_path, img_utils.horizon_concate(gt_rgb, pred_rgb))

这里还有一个问题，我发现在已经生成过一张图片后，再次执行到这里，输出的新图片无法覆盖之前的旧图片，所以我加上了时间和当前周期作为扩展名

now = datetime.datetime.now()
now_str = now.strftime('%Y-%m-%d_%Hh%Mm%Ss')
base_name, ext = os.path.splitext(save_path)
save_path = f"{base_name}_{now_str}_epoch_{cfg.train.epoch}{ext}"

这样就会以这样的 res_2024-03-18_09h09m40s_epoch_10.jpg 格式正确输出每次的图像了

1.3 I/O

此项目是由 Linux 开发的，在Windows系统上，免不了出现各种麻烦。特别是，该项目的所有 I/O 都是 Linux 的 I/O 格式，所以要进行全面修改：

使用 Python 的 os 模块中的 makedirs 函数来替换

os.system('mkdir -p ' + model_dir)
# |
# V
os.makedirs(model_dir, exist_ok=True)

shutil 模块中的 rmtree 函数来替换

os.system('rm -rf {}'.format(model_dir))
# |
# V
import shutil
if os.path.exists(model_dir):
	shutil.rmtree(model_dir)

Python 的 os 模块中的remove函数来替换

os.system('rm {}'.format(os.path.join(model_dir, '{}.pth'.format(min(pths)))))
# |
# V
os.remove(os.path.join(model_dir, '{}.pth'.format(min(pths))))

使用 exit(0) 来结束当前进程

os.system('kill -9 {}'.format(os.getpid()))
# |
# V
exit(0)

2 训练问题

训练从尝试一开始，记录了一步一步修改改进，到尝试三就基本完成复现！

2.1 Evaluate 显存爆炸

在运行 evaluate 模块时，我用模型对一张图片进行推理，发现显存爆炸增长，经过一番寻找之后，找到了问题：

~~在运行 run.py 的 evaluate 模块时，evaluator.evaluate(output, batch)这句话没有在 torch.no_grad() 中导致的。修改只需要加一个缩进即可~~

更新：重构了evaluate的代码，之前是我理解出现了问题，在evaluate中再一次进行了模型推理，现在不用了，代码恢复为以前的

2.2 尝试一

训练中：在 Dateset 的 __getitem__ 函数中进行 shuffle，导致每次迭代都会 shuffle 整个数据一次，耗费大量时间

在经过10000次迭代（20个epoch）后：
- psnr 整体是呈现一个上升的趋势，在10000次迭代后在24左右
- loss 从一开始整体下降，之后就一直在0.1225左右徘徊（感觉出现问题）没有明显的下降趋势
分别在5000次和10000次迭代的时候 evaluate 了两次：
- 第一次：loss = 0.1201，psnr = 22.94，mse = 0.005223
- 第二次：loss = 0.1191，psnr = 23.8，mse = 0.004276
推理得到的图像如下：

其实在训练时获取光线时本来就是打乱了的，传入 __getitem__ 的 index 就是随机的，但是发现在移除所有光线的 shuffle 后，训练出现问题（一直 psnr = inf，loss = 0），具体原因还未知、

2.3 尝试二

现在我将 shuffle 放到了 __init__ 中去，只在创建数据集时进行一次 shuffle，训练正常进行，时间相比以前有了提升！

但出过拟合问题！

在2500次迭代（5个epoch）后：
- loss 持续下降到 0.000292，停止后再次开始训练时断崖上升
- psnr 持续上升到40，停止后再次开始训练时断崖下降
使用 run.py 的 evaluate 模块进行测试：

输出的图像与指标不符，loss = 0.055，psnr = 15.4939，mse = 0.0282；具体生成图像也是比较糟糕，只能看到大致雏形

问题：

发现了问题出现在数据集的 __getitem__ 上，每次传入的 index 是随机图片索引，只有只有 1~200，只能得到前面的 1~200*1024 的数据太狭隘了，导致了过拟合。

目前解决方案在 index 的基础上乘上图像的宽高：

index = index * self.H * self.W

2.4 尝试三 (最终)

经过上述的修改，并且参考 nerf-pytorch 的代码在每隔一段时间（我现在暂时设定self.N_rays * cfg.ep_iter 次，即 1024*500）就会重新打乱一遍所有的32000000条光线

我将代码放到了阿里云的服务器上进行训练，经过10.48小时的训练，总共迭代了71,000次（142个epoch）

训练：
- loss 持续下降，目前在0.003左右波动
- psnr 持续上升，目前在32左右波动
evaluate：我设定了每隔2500次迭代（5个epoch）就进行一次 evaluate，每次为了节省时间只用10张图片进行测试

loss 持续下降到0.006，mse 持续下降到0.0018，psnr 持续上升到27.6134

得到的图片：

训练完后对整体（200张图片）进行了一次 evaluate：得到 psnr = 28.4860
与尝试一进行对比：在10000次迭代左右，时间大大减少，且loss、psnr都更加优秀