attentiontoy1d.py

   1 #!/usr/bin/env python
   2
   3 # Any copyright is dedicated to the Public Domain.
   4 # https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
   5
   6 # Written by Francois Fleuret <francois@fleuret.org>
   7
   8 import torch, math, sys, argparse
   9
  10 from torch import nn
  11 from torch.nn import functional as F
  12
  13 import matplotlib.pyplot as plt
  14
  15 ######################################################################
  16
  17 parser = argparse.ArgumentParser(description='Toy attention model.')
  18
  19 parser.add_argument('--nb_epochs',
  20                     type = int, default = 250)
  21
  22 parser.add_argument('--with_attention',
  23                     help = 'Use the model with an attention layer',
  24                     action='store_true', default=False)
  25
  26 parser.add_argument('--group_by_locations',
  27                     help = 'Use the task where the grouping is location-based',
  28                     action='store_true', default=False)
  29
  30 parser.add_argument('--positional_encoding',
  31                     help = 'Provide a positional encoding',
  32                     action='store_true', default=False)
  33
  34 args = parser.parse_args()
  35
  36 ######################################################################
  37
  38 label=''
  39
  40 if args.with_attention: label = 'wa_'
  41
  42 if args.group_by_locations: label += 'lg_'
  43
  44 if args.positional_encoding: label += 'pe_'
  45
  46 log_file = open(f'att1d_{label}train.log', 'w')
  47
  48 ######################################################################
  49
  50 def log_string(s):
  51     if log_file is not None:
  52         log_file.write(s + '\n')
  53         log_file.flush()
  54     print(s)
  55     sys.stdout.flush()
  56
  57 ######################################################################
  58
  59 if torch.cuda.is_available():
  60     device = torch.device('cuda')
  61     torch.backends.cudnn.benchmark = True
  62 else:
  63     device = torch.device('cpu')
  64
  65 torch.manual_seed(1)
  66
  67 ######################################################################
  68
  69 seq_height_min, seq_height_max = 1.0, 25.0
  70 seq_width_min, seq_width_max = 5.0, 11.0
  71 seq_length = 100
  72
  73 def positions_to_sequences(tr = None, bx = None, noise_level = 0.3):
  74     st = torch.arange(seq_length).float()
  75     st = st[None, :, None]
  76     tr = tr[:, None, :, :]
  77     bx = bx[:, None, :, :]
  78
  79     xtr =            torch.relu(tr[..., 1] - torch.relu(torch.abs(st - tr[..., 0]) - 0.5) * 2 * tr[..., 1] / tr[..., 2])
  80     xbx = torch.sign(torch.relu(bx[..., 1] - torch.abs((st - bx[..., 0]) * 2 * bx[..., 1] / bx[..., 2]))) * bx[..., 1]
  81
  82     x = torch.cat((xtr, xbx), 2)
  83
  84     # u = x.sign()
  85     u = F.max_pool1d(x.sign().permute(0, 2, 1), kernel_size = 2, stride = 1).permute(0, 2, 1)
  86
  87     collisions = (u.sum(2) > 1).max(1).values
  88     y = x.max(2).values
  89
  90     return y + torch.rand_like(y) * noise_level - noise_level / 2, collisions
  91
  92 ######################################################################
  93
  94 def generate_sequences(nb):
  95
  96     # Position / height / width
  97
  98     tr = torch.empty(nb, 2, 3)
  99     tr[:, :, 0].uniform_(seq_width_max/2, seq_length - seq_width_max/2)
 100     tr[:, :, 1].uniform_(seq_height_min, seq_height_max)
 101     tr[:, :, 2].uniform_(seq_width_min, seq_width_max)
 102
 103     bx = torch.empty(nb, 2, 3)
 104     bx[:, :, 0].uniform_(seq_width_max/2, seq_length - seq_width_max/2)
 105     bx[:, :, 1].uniform_(seq_height_min, seq_height_max)
 106     bx[:, :, 2].uniform_(seq_width_min, seq_width_max)
 107
 108     if args.group_by_locations:
 109         a = torch.cat((tr, bx), 1)
 110         v = a[:, :, 0].sort(1).values[:, 2:3]
 111         mask_left = (a[:, :, 0] < v).float()
 112         h_left = (a[:, :, 1] * mask_left).sum(1) / 2
 113         h_right = (a[:, :, 1] * (1 - mask_left)).sum(1) / 2
 114         valid = (h_left - h_right).abs() > 4
 115     else:
 116         valid = (torch.abs(tr[:, 0, 1] - tr[:, 1, 1]) > 4) & (torch.abs(tr[:, 0, 1] - tr[:, 1, 1]) > 4)
 117
 118     input, collisions = positions_to_sequences(tr, bx)
 119
 120     if args.group_by_locations:
 121         a = torch.cat((tr, bx), 1)
 122         v = a[:, :, 0].sort(1).values[:, 2:3]
 123         mask_left = (a[:, :, 0] < v).float()
 124         h_left = (a[:, :, 1] * mask_left).sum(1, keepdim = True) / 2
 125         h_right = (a[:, :, 1] * (1 - mask_left)).sum(1, keepdim = True) / 2
 126         a[:, :, 1] = mask_left * h_left + (1 - mask_left) * h_right
 127         tr, bx = a.split(2, 1)
 128     else:
 129         tr[:, :, 1:2] = tr[:, :, 1:2].mean(1, keepdim = True)
 130         bx[:, :, 1:2] = bx[:, :, 1:2].mean(1, keepdim = True)
 131
 132     targets, _ = positions_to_sequences(tr, bx)
 133
 134     valid = valid & ~collisions
 135     tr = tr[valid]
 136     bx = bx[valid]
 137     input = input[valid][:, None, :]
 138     targets = targets[valid][:, None, :]
 139
 140     if input.size(0) < nb:
 141         input2, targets2, tr2, bx2 = generate_sequences(nb - input.size(0))
 142         input = torch.cat((input, input2), 0)
 143         targets = torch.cat((targets, targets2), 0)
 144         tr = torch.cat((tr, tr2), 0)
 145         bx = torch.cat((bx, bx2), 0)
 146
 147     return input, targets, tr, bx
 148
 149 ######################################################################
 150
 151 def save_sequence_images(filename, sequences, tr = None, bx = None):
 152     fig = plt.figure()
 153     ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
 154
 155     ax.set_xlim(0, seq_length)
 156     ax.set_ylim(-1, seq_height_max + 4)
 157
 158     for u in sequences:
 159         ax.plot(
 160             torch.arange(u[0].size(0)) + 0.5, u[0], color = u[1], label = u[2]
 161         )
 162
 163     ax.legend(frameon = False, loc = 'upper left')
 164
 165     delta = -1.
 166     if tr is not None:
 167         ax.scatter(test_tr[k, :, 0], torch.full((test_tr.size(1),), delta), color = 'black', marker = '^', clip_on=False)
 168
 169     if bx is not None:
 170         ax.scatter(test_bx[k, :, 0], torch.full((test_bx.size(1),), delta), color = 'black', marker = 's', clip_on=False)
 171
 172     fig.savefig(filename, bbox_inches='tight')
 173
 174     plt.close('all')
 175
 176 ######################################################################
 177
 178 class AttentionLayer(nn.Module):
 179     def __init__(self, in_channels, out_channels, key_channels):
 180         super(AttentionLayer, self).__init__()
 181         self.conv_Q = nn.Conv1d(in_channels, key_channels, kernel_size = 1, bias = False)
 182         self.conv_K = nn.Conv1d(in_channels, key_channels, kernel_size = 1, bias = False)
 183         self.conv_V = nn.Conv1d(in_channels, out_channels, kernel_size = 1, bias = False)
 184
 185     def forward(self, x):
 186         Q = self.conv_Q(x)
 187         K = self.conv_K(x)
 188         V = self.conv_V(x)
 189         A = Q.permute(0, 2, 1).matmul(K).softmax(2)
 190         x = A.matmul(V.permute(0, 2, 1)).permute(0, 2, 1)
 191         return x
 192
 193     def __repr__(self):
 194         return self._get_name() + \
 195             '(in_channels={}, out_channels={}, key_channels={})'.format(
 196                 self.conv_Q.in_channels,
 197                 self.conv_V.out_channels,
 198                 self.conv_K.out_channels
 199             )
 200
 201     def attention(self, x):
 202         Q = self.conv_Q(x)
 203         K = self.conv_K(x)
 204         return Q.permute(0, 2, 1).matmul(K).softmax(2)
 205
 206 ######################################################################
 207
 208 train_input, train_targets, train_tr, train_bx = generate_sequences(25000)
 209 test_input, test_targets, test_tr, test_bx = generate_sequences(1000)
 210
 211 ######################################################################
 212
 213 ks = 5
 214 nc = 64
 215
 216 if args.positional_encoding:
 217     c = math.ceil(math.log(seq_length) / math.log(2.0))
 218     positional_input = (torch.arange(seq_length).unsqueeze(0) // 2**torch.arange(c).unsqueeze(1))%2
 219     positional_input = positional_input.unsqueeze(0).float()
 220 else:
 221     positional_input = torch.zeros(1, 0, seq_length)
 222
 223 in_channels = 1 + positional_input.size(1)
 224
 225 if args.with_attention:
 226
 227     model = nn.Sequential(
 228         nn.Conv1d(in_channels, nc, kernel_size = ks, padding = ks//2),
 229         nn.ReLU(),
 230         nn.Conv1d(nc, nc, kernel_size = ks, padding = ks//2),
 231         nn.ReLU(),
 232         AttentionLayer(nc, nc, nc),
 233         nn.Conv1d(nc, nc, kernel_size = ks, padding = ks//2),
 234         nn.ReLU(),
 235         nn.Conv1d(nc,  1, kernel_size = ks, padding = ks//2)
 236     )
 237
 238 else:
 239
 240     model = nn.Sequential(
 241         nn.Conv1d(in_channels, nc, kernel_size = ks, padding = ks//2),
 242         nn.ReLU(),
 243         nn.Conv1d(nc, nc, kernel_size = ks, padding = ks//2),
 244         nn.ReLU(),
 245         nn.Conv1d(nc, nc, kernel_size = ks, padding = ks//2),
 246         nn.ReLU(),
 247         nn.Conv1d(nc, nc, kernel_size = ks, padding = ks//2),
 248         nn.ReLU(),
 249         nn.Conv1d(nc,  1, kernel_size = ks, padding = ks//2)
 250     )
 251
 252 nb_parameters = sum(p.numel() for p in model.parameters())
 253
 254 with open(f'att1d_{label}model.log', 'w') as f:
 255     f.write(str(model) + '\n\n')
 256     f.write(f'nb_parameters {nb_parameters}\n')
 257
 258 ######################################################################
 259
 260 batch_size = 100
 261
 262 optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr = 1e-3)
 263 mse_loss = nn.MSELoss()
 264
 265 model.to(device)
 266 mse_loss.to(device)
 267 train_input, train_targets = train_input.to(device), train_targets.to(device)
 268 test_input, test_targets = test_input.to(device), test_targets.to(device)
 269 positional_input = positional_input.to(device)
 270
 271 mu, std = train_input.mean(), train_input.std()
 272
 273 for e in range(args.nb_epochs):
 274     acc_loss = 0.0
 275
 276     for input, targets in zip(train_input.split(batch_size),
 277                               train_targets.split(batch_size)):
 278
 279         input = torch.cat((input, positional_input.expand(input.size(0), -1, -1)), 1)
 280
 281         output = model((input - mu) / std)
 282         loss = mse_loss(output, targets)
 283
 284         optimizer.zero_grad()
 285         loss.backward()
 286         optimizer.step()
 287
 288         acc_loss += loss.item()
 289
 290     log_string(f'{e+1} {acc_loss}')
 291
 292 ######################################################################
 293
 294 train_input = train_input.detach().to('cpu')
 295 train_targets = train_targets.detach().to('cpu')
 296
 297 for k in range(15):
 298     save_sequence_images(
 299         f'att1d_{label}train_{k:03d}.pdf',
 300         [
 301             ( train_input[k, 0], 'blue', 'Input' ),
 302             ( train_targets[k, 0], 'red', 'Target' ),
 303         ],
 304     )
 305
 306 ####################
 307
 308 test_input = torch.cat((test_input, positional_input.expand(test_input.size(0), -1, -1)), 1)
 309 test_outputs = model((test_input - mu) / std).detach()
 310
 311 if args.with_attention:
 312     x = model[0:4]((test_input - mu) / std)
 313     test_A = model[4].attention(x)
 314     test_A = test_A.detach().to('cpu')
 315
 316 test_input = test_input.detach().to('cpu')
 317 test_outputs = test_outputs.detach().to('cpu')
 318 test_targets = test_targets.detach().to('cpu')
 319
 320 for k in range(15):
 321     save_sequence_images(
 322         f'att1d_{label}test_Y_{k:03d}.pdf',
 323         [
 324             ( test_input[k, 0], 'blue', 'Input' ),
 325             ( test_outputs[k, 0], 'orange', 'Output' ),
 326         ]
 327     )
 328
 329     save_sequence_images(
 330         f'att1d_{label}test_Yp_{k:03d}.pdf',
 331         [
 332             ( test_input[k, 0], 'blue', 'Input' ),
 333             ( test_outputs[k, 0], 'orange', 'Output' ),
 334         ],
 335         test_tr[k],
 336         test_bx[k]
 337     )
 338
 339     if args.with_attention:
 340         fig = plt.figure()
 341         ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
 342         ax.set_xlim(0, seq_length)
 343         ax.set_ylim(0, seq_length)
 344
 345         ax.imshow(test_A[k], cmap = 'binary', interpolation='nearest')
 346         delta = 0.
 347         ax.scatter(test_bx[k, :, 0], torch.full((test_bx.size(1),), delta), color = 'black', marker = 's', clip_on=False)
 348         ax.scatter(torch.full((test_bx.size(1),), delta), test_bx[k, :, 0], color = 'black', marker = 's', clip_on=False)
 349         ax.scatter(test_tr[k, :, 0], torch.full((test_tr.size(1),), delta), color = 'black', marker = '^', clip_on=False)
 350         ax.scatter(torch.full((test_tr.size(1),), delta), test_tr[k, :, 0], color = 'black', marker = '^', clip_on=False)
 351
 352         fig.savefig(f'att1d_{label}test_A_{k:03d}.pdf', bbox_inches='tight')
 353
 354     plt.close('all')
 355
 356 ######################################################################