Add user documentation for abstract data interfaces (#9)
* update isort * update * update comments * update * update * update * fix bug in use cases * resolve all comments * add description of basedatasample * rename meta_info to metainfo as meta is an adj. * update * resolve comments * clean set data * finished doc * rephrase * update * resolve comments * more clear organization * rephrase * rephrase * replace 基础数据元素 by 数据元素 * rephrasepull/17/head
Wenwei Zhang
GitHub
parent
53fe85cc81
commit
019c2f5cc9
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@ -0,0 +1,443 @@
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# 抽象数据接口
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在模型的训练/测试过程中，组件之间往往有大量的数据需要传递，不同的算法需要传递的数据经常是不一样的，
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例如，训练单阶段检测器需要获得数据集的标注框（ground truth bounding boxes）和标签（ground truth box labels），训练 Mask R-CNN 时还需要实例掩码（instance masks）。
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训练这些模型时的代码如下所示
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```python
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for img, img_metas, gt_bboxes, gt_labels in data_loader:
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loss = retinanet(img, img_metas, gt_bboxes, gt_labels)
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```
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```python
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for img, img_metas, gt_bboxes, gt_masks, gt_labels in data_loader:
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loss = mask_rcnn(img, img_metas, gt_bboxes, gt_masks, gt_labels)
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```
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可以发现，在不加封装的情况下，不同算法所需数据的不一致导致了不同算法模块之间接口的不一致，影响了算法库的拓展性，同时一个算法库内的模块为了保持兼容性往往在接口上存在冗余。
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上述弊端在算法库之间会体现地更加明显，导致在实现多任务（同时进行如语义分割、检测、关键点检测等多个任务）感知模型时模块难以复用，接口难以拓展。
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为了解决上述问题，MMEngine 定义了一套抽象的数据接口来封装模型运行过程中的各种数据。假设将上述不同的数据封装进 `data_sample` ，不同算法的训练都可以被抽象和统一成如下代码
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```python
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for img, data_sample in dataloader:
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loss = model(img, data_sample)
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```
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通过对各种数据提供统一的封装，抽象数据接口统一并简化了算法库中各个模块的接口，可以被用于算法库中 dataset，model，visualizer，和 evaluator 组件之间，或者 model 内各个模块之间的数据传递。
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抽象数据接口实现了基本的增/删/改/查功能，同时支持不同设备之间的迁移，支持类字典和张量的操作，可以充分满足算法库对于这些数据的使用要求。
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基于 MMEngine 的算法库可以继承这套抽象数据接口并实现自己的抽象数据接口来适应不同算法中数据的特点与实际需要，在保持统一接口的同时提高了算法模块的拓展性。
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## 设计
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一个算法库中的数据可以被归类成具有不同性质的数据元素。一个训练样本（如一张图片）的所有数据元素构成了一个训练样本的完整数据，称为样本数据。相应地，MMEngine 为数据元素和样本数据分别定义了一种封装。
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1. 数据元素的封装： 数据元素指的是某一算法任务上的预测数据或标注，例如检测框，实例掩码，语义分割掩码等。因为标注数据和预测数据往往具有相似的性质（例如模型的预测框和标注框具有相同的性质），MMEngine 使用相同的抽象数据接口来封装预测数据和标注数据，并推荐使用命名来区分他们，如使用 `gt_instances` 和 `pred_instances` 来区分标注和预测的实例数据。另外，我们将数据元素区分为实例级别，像素级别，和标签级别。这些类型各有自己的特点，因此，MMEngine 定义了数据元素的基类 `BaseDataElement`，并由此派生出了 3 类数据结构来封装不同类型的标注数据或者模型的预测结果：`InstanceData`, `PixelData`, 和 `LabelData`。这些接口将被用于模型内各个模块之间的数据传递。
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2. 样本数据的封装：一个训练样本（例如一张图片）的所有标注和预测构成了一个样本数据。一般情况下，一张图片可以同时有多种类型的标注和/或预测（例如，同时拥有像素级别的语义分割标注和实例级别的检测框标注）。因此，MMEngine 定义了 `BaseDataSample`作为样本数据封装的基类。也就是说，**`BaseDataSample` 的属性会是各种类型的数据元素**，OpenMMLab 算法库将基于 `BaseDataSample` 实现自己的抽象数据接口，来封装一个算法库中单个样本的所有相关数据，作为 dataset，model，visualizer，和 evaluator 组件之间的数据接口。
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两种类型的封装和他们的继承关系如下图所示
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为了保证抽象数据接口内数据的完整性，抽象数据接口内部有两种数据，除了被封装的数据（data）本身，还有一种是数据的元信息（metainfo），例如图片大小和 ID 等。
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两种类型的抽象数据接口都可以作为 Python 类去使用和操作他们的属性。同时，因为他们封装的数据大多是 Tensor，他们也提供了类似 Tensor 的基础操作。
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## 用法
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### BaseDataElement
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MMEngine 为数据元素的封装提供了一个基类 `BaseDataElement`。
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基于 `BaseDataElement`，MMEngine 还实现了 `InstanceData`， `PixelData`， `LabelData` 和 `GeneralData` 四个典型的子类，封装了实例级别，像素级别，标签级别和其他普通的数据元素，并针对他们的数据特性支持了一些额外的功能。
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1. `InstanceData`：封装检测框、框对应的标签和实例掩码、甚至关键点等实例级别数据，`InstanceData` 假定它封装的数据具有相同的长度 N，N 代表实例的个数，并基于此假定对数据进行校验、支持对实例进行索引和拼接。
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2. `PixelData`：封装逐像素级别的数据，如语义分割图和深度图等。`PixelData` 假定它封装的数据有相同的长度和宽度，第一和第二维为图片的长宽，第三维为通道数。`PixelData` 基于此假定对数据进行校验、支持对实例进行空间维度的索引和各维度的拼接。
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3. `LabelData`：封装标签数据，如场景分类标签等。
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4. `GeneralData`：`BaseDataElement` 的等价类。虽然 `BaseDataElement` 可以作为独立的模块被使用，但是我们不推荐用户直接使用基类。因此，MMEngine 额外实现了 `GeneralData` 。`GeneralData` 保持了和 `InstanceData`, `PixelData`, 以及 `LabelData` 一致的命名习惯和继承层次。它拥有和 `BaseDataElement` 完全一样的功能和接口，对数据元素没有任何假定，仅支持最基本的增删改查功能。我们推荐用户在实际应用过程中使用 `GeneralData` 而非 `BaseDataElement` 来保持使用的一致性，在开发过程中继承 `BaseDataElement` 来保持继承层次的统一。在下文中，为了阐明数据元素封装的基本用法，我们还是使用 `BaseDataElement` 来进行描述和用例展示。
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`BaseDataElement` 中存在两种类型的数据，一种是 `data` 类型，如标注框、框的标签、和实例掩码等；另一种是 `metainfo` 类型，包含数据的元信息以确保数据的完整性，如 `img_shape`, `img_id` 等数据所在图片的一些基本信息，方便可视化等情况下对数据进行恢复和使用。用户在创建 `BaseDataElement` 的过程中需要对这两类属性的数据进行显式地区分和声明。
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#### 1. 数据元素的创建
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```python
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# 可以声明一个空的 object
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gt_instances = BaseDataElement()
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bboxes = torch.rand((5, 4)) # 假定 bboxes 是一个 Nx4 维的 tensor，N 代表框的个数
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scores = torch.rand((5,)) # 假定框的分数是一个 N 维的 tensor，N 代表框的个数
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img_id = 0 # 图像的 ID
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H = 800 # 图像的高度
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W = 1333 # 图像的宽度
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# 显式声明 BaseDataElement 的参数 metainfo 和 data
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gt_instances = BaseDataElement(
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metainfo=dict(img_id=img_id, img_shape=(H, W)),
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data=dict(bboxes=bboxes, scores=scores))
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# 不显式声明的时候，传入字典将设置 BaseDataElement 的参数 metainfo
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gt_instances = BaseDataElement(dict(img_id=img_id, img_shape=(H, W)))
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```
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#### 2. `new` 函数
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用户可以使用 `new()` 函数通过已有的数据接口创建一个具有相同状态和数据的抽象数据接口。用户可以在创建新 `BaseDataElement` 时设置 metainfo 和 data，使得新的 BaseDataElement 有相同的状态但是不同的数据。
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也可以直接使用 `new()` 来获得一份深拷贝。
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```python
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gt_instances = BaseDataElement()
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# 可以在创建新 `BaseDataElement` 时设置 metainfo 和 data，使得新的 BaseDataElement 有不同的数据但是数据在相同的 device 上
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gt_instances1 = gt_instance.new(
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metainfo=dict(img_id=1, img_shape=(640, 640)),
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data=dict(bboxes=torch.rand((5, 4)), scores=torch.rand((5,)))
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)
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# 也可以声明一个新的 object，新的 object 会拥有和 gt_instance 相同的 data 和 metainfo 内容
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gt_instances2 = gt_instances1.new()
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```
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#### 3. 属性的增加与查询
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用户可以像增加类属性那样增加 `BaseDataElement` 的属性，此时数据会被**当作 data 类型**增加到 `BaseDataElement` 中。
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如果需要增加 metainfo 属性，用户应当使用 `set_metainfo`。
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用户可以通过 `metainfo_keys`，`metainfo_values`，和`metainfo_items` 来访问只存在于 metainfo 中的键值，
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也可以通过 `data_keys`，`data_values`，和 `data_items` 来访问只存在于 data 中的键值。
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用户还能通过 `keys`，`values`， `items` 来访问 `BaseDataElement` 的所有的属性并且不区分他们的类型。
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**注意：**
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1. `BaseDataElement` 不支持 metainfo 和 data 属性中有同名的字段，所以用户应当避免 metainfo 和 data 属性中设置相同的字段，否则 `BaseDataElement` 会报错。
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2. 考虑到 `InstanceData` 和 `PixelData` 支持对数据进行切片操作，为了避免 `[]` 用法的不一致，同时减少同种需求的不同方法，`BaseDataElement` 不支持像字典那样访问和设置它的属性，所以类似 `BaseDataElement[name]` 的取值赋值操作是不被支持的。
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```python
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gt_instances = BaseDataElement()
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# 设置 gt_instances 的 meta 字段，img_id 和 img_shape 会被作为 metainfo 的字段成为 gt_instances 的属性
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gt_instances.set_metainfo(dict(img_id=9, img_shape=(100, 100))
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assert 'img_shape' in gt_instaces.metainfo_keys()
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# 'img_shape' 是 gt_instances 的属性
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assert 'img_shape' in gt_instaces
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# img_shape 不是 gt_instances 的 data 字段
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assert 'img_shape' not in gt_instaces.data_keys()
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# 通过 keys 来访问所有属性
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assert 'img_shape' in gt_instaces.keys()
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# 访问类属性一样访问 'img_shape'
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print(gt_instances.img_shape)
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# 直接设置 gt_instance 的 scores 属性，默认该数据属于 data
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gt_instances.scores = torch.rand((5,))
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assert 'scores' in gt_instances.data_keys()
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# 'scores' 是 gt_instances 的属性
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assert 'scores' in gt_instances
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# 通过 keys 来访问所有属性
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assert 'scores' in gt_instances.keys()
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||||
# scores 不是 gt_instances 的 metainfo 字段
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assert 'scores' not in gt_instances.metainfo_keys()
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# 访问类属性一样访问 'scores'
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print(gt_instances.scores)
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# 设置 gt_instances 的 data 字段 bboxes
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gt_instances.bboxes = torch.rand((5, 4))
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assert 'bboxes' in gt_instances.data_keys()
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||||
# 'bboxes' 是 gt_instances 的属性
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assert 'bboxes' in gt_instances
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# 通过 keys 来访问所有属性
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assert 'bboxes' in gt_instances.keys()
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# bboxes 不是 gt_instances 的 metainfo 字段
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assert 'bboxes' not in gt_instances.metainfo_keys()
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# 访问类属性一样访问 'bboxes'
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print(gt_instances.bboxes)
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for k, v in gt_instances.items():
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print(f'{k}: {v}') # 包含 img_shapes， img_id， bboxes，scores
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for k, v in gt_instances.metainfo_items():
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||||
print(f'{k}: {v}') # 包含 img_shapes， img_id
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for k, v in gt_instances.data_items():
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print(f'{k}: {v}') # 包含 bboxes，scores
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```
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#### 4. 属性的删改
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`BaseDataElement` 支持用户可以像使用一个类一样对它的属性进行删改
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同时， `BaseDataElement` 支持 `get` 来允许在访问不到变量时设置默认值，也支持 `pop` 在在访问属性后删除属性。
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```python
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gt_instances = BaseDataElement(
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metainfo=dict(img_id=0, img_shape=(640, 640))，
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data=dict(bboxes=torch.rand((6, 4)), scores=torch.rand((6,))))
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# 对类的属性进行修改
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gt_instances.img_shape = (1280, 1280)
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gt_instances.img_shape # (1280, 1280)
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gt_instances.bboxes = gt_instances.bboxes * 2
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# 提供了可设置默认值的获取方式 get
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gt_instances.get('img_shape', None) # (640， 640)
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gt_instances.get('bboxes', None) # 6x4 tensor
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# 属性的删除
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del gt_instances.img_shape
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del gt_instances.bboxes
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assert 'img_shape' in gt_instances
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assert 'bboxes' not in gt_instances
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# 提供了便捷的属性删除和访问操作 pop
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gt_instances.pop('img_shape', None) # None
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gt_instances.pop('bboxes', None) # None
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```
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#### 5. 类张量操作
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用户可以像 torch.Tensor 那样对 `BaseDataElement` 的 data 进行状态转换，目前支持 `cuda`， `cpu`， `to`， `numpy` 等操作。
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其中，`to` 函数拥有和 `torch.Tensor.to()` 相同的接口，使得用户可以灵活地将被封装的 tensor 进行状态转换。
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```python
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# 将所有 data 转移到 GPU 上
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cuda_instances = gt_instances.cuda()
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cuda_instances = gt_instancess.to('cuda:0')
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# 将所有 data 转移到 cpu 上
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cpu_instances = cuda_instances.cpu()
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cpu_instances = cuda_instances.to('cpu')
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# 将所有 data 变成 FP16
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fp16_instances = cuda_instances.to(
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device=None, dtype=torch.float16, non_blocking=False, copy=False,
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memory_format=torch.preserve_format)
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# 阻断所有 data 的梯度
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cpu_instances = cuda_instances.detach()
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# 转移 data 到 numpy array
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np_instances = cpu_instances.numpy()
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```
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#### 6. 属性的展示
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`BaseDataElement` 还实现了 `__nice__` 和 `__repr__`，因此，用户可以直接通过 `print` 函数看到其中的所有数据信息。
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同时，为了便捷开发者 debug，`BaseDataElement` 中的属性都会添加进 `__dict__` 中，方便用户在 IDE 界面可以直观看到 `BaseDataElement` 中的内容。
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一个完整的属性展示如下
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```python
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>>> img_meta = dict(img_shape=(800, 1196, 3), pad_shape=(800, 1216, 3))
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>>> instance_data = BaseDataElement(metainfo=img_meta)
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>>> instance_data.det_labels = torch.LongTensor([0, 1, 2, 3])
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>>> instance_data.det_scores = torch.Tensor([0.01, 0.1, 0.2, 0.3])
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>>> print(results)
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<BaseDataElement(
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META INFORMATION
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img_shape: (800, 1196, 3)
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pad_shape: (800, 1216, 3)
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DATA FIELDS
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shape of det_labels: torch.Size([4])
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shape of det_scores: torch.Size([4])
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) at 0x7f84acd10f90>
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```
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### BaseDataSample
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MMEngine 为样本数据的封装提供了一个基类 `BaseDataSample`，OpenMMLab 的每个算法库都应该继承 `BaseDataSample` 实现自己的样本数据封装，并规约和校验该算法库中的常见字段。算法库自己实现的样本数据封装会作为该算法库内 dataset，visualizer，evaluator，model 组件之间的数据接口进行流通。
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`BaseDataSample` 虽然可以作为一个模块被单独使用，但是我们不推荐 `BaseDataSample` 这种用法。
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`BaseDataSample` 内部依然区分 metainfo 和 data，并且支持像类一样对其属性进行设置和调整，为了保证用户体验的一致性，`BaseDataSample` 的外部接口用法和 `BaseDataElement` 保持一致。
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同时，由于 `BaseDataSample` 作为基类一般不会直接使用，为了方便下游算法库快速定义其子类，并对子类的属性进行规约和校验。
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`BaseDataSample` 额外提供了一套内部接口 `_get_field`， `_del_field` 和 `_set_field` 来便利它的子类快捷地定义和规约 data 属性的增删改查。
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`_set_field` 不会被当作外部接口直接使用，而是被用来定义属性（property） 的 `setter` 并提供基本的类型校验。
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一个简单粗略的实现和用例如下。
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```python
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from abc import ABC
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from functools import partial
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class BaseDataSample(ABC):
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def __init__(self, metainfo=dict(), data=dict()):
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self._data_fields = set()
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self._metainfo_fields = set()
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# 其他功能实现
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...
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def _get_field(self, name):
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return getattr(self, name)
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def _set_field(self, val, name, dtype):
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assert isinstance(val, dtype)
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super().__setattr__(name, val)
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self._data_fields.add(name)
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||||
def _del_field(self, name):
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super().__delattr__(name)
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self._data_fields.remove(name)
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```
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基于 `BaseDataSample`，下游算法库可以定义 `DetDataSample`，并且使用 `BaseDataSample` 中的接口，快速定义 3 个 property：proposals，gt_instances，pred_instances，并约束他们的类型。
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```python
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class DetDataSample(BaseDataSample):
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proposals = property(
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# 定义了 get 方法，通过 name '_proposals' 来访问实际维护的变量
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fget=partial(BaseDataSample._get_field, name='_proposals'),
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# 定义了 set 方法，将实际维护的变量设置为 '_proposals'，并在设置的时候检查类型是否是 dtype 定义的类型 InstanceData
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fset=partial(BaseDataSample._set_field, name='_proposals', dtype=InstanceData),
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||||
fdel=partial(BaseDataSample._del_field, name='_proposals'),
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doc='Region proposals of an image'
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)
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||||
gt_instances = property(
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||||
fget=partial(BaseDataSample._get_field, name='_gt_instances'),
|
||||
fset=partial(BaseDataSample._set_field, name='_gt_instances', dtype=InstanceData),
|
||||
fdel=partial(BaseDataSample._del_field, name='_gt_instances'),
|
||||
doc='Ground truth instances of an image'
|
||||
)
|
||||
|
||||
pred_instances = property(
|
||||
fget=partial(BaseDataSample._get_field, name='_pred_instances'),
|
||||
fset=partial(BaseDataSample._set_field, name='_pred_instances', dtype=InstanceData),
|
||||
fdel=partial(BaseDataSample._del_field, name='_pred_instances'),
|
||||
doc='Predicted instances of an image'
|
||||
)
|
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```
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`DetDataSample` 的用法如下所示，在数据类型不符合要求的时候（例如用 `torch.Tensor` 而非 `InstanceData` 定义 proposals 时） ，`DetDataSample` 就会报错。
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```python
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a = DetDataSample()
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a.proposals = InstanceData(data=dict(bboxes=torch.rand((5,4))))
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assert 'proposals' in a
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print(a.proposals)
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del a.proposals
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assert 'proposals' not in a
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```
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### 对接口的简化
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下面以 MMDetection 为例更具体地说明 OpenMMLab 的算法库将如何迁移使用抽象数据接口，以简化模块和组件接口的。我们假定 MMDetection 和 MMEngine 中实现了 DetDataSample 和 InstanceData。
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#### 1. 组件接口的简化
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检测器的外部接口可以得到显著的简化和统一。MMDet 2.X 中单阶段检测器和单阶段分割算法的接口如下。在训练过程中，`SingleStageDetector` 需要获取
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`img`， `img_metas`， `gt_bboxes`， `gt_labels`， `gt_bboxes_ignore` 作为输入，但是 `SingleStageInstanceSegmentor` 还需要 `gt_masks`，导致 detector 的训练接口不一致，影响了代码的灵活性。
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```python
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class SingleStageDetector(BaseDetector):
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...
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def forward_train(self,
|
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img,
|
||||
img_metas,
|
||||
gt_bboxes,
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||||
gt_labels,
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gt_bboxes_ignore=None):
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||||
|
||||
|
||||
class SingleStageInstanceSegmentor(BaseDetector):
|
||||
...
|
||||
|
||||
def forward_train(self,
|
||||
img,
|
||||
img_metas,
|
||||
gt_masks,
|
||||
gt_labels,
|
||||
gt_bboxes=None,
|
||||
gt_bboxes_ignore=None,
|
||||
**kwargs):
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```
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||||
在 MMDet 3.0 中，所有检测器的训练接口都可以使用 DetDataSample 统一简化为 `img` 和 `data_samples`，不同模块可以根据需要去访问 `data_samples` 封装的各种所需要的属性。
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||||
```python
|
||||
class SingleStageDetector(BaseDetector):
|
||||
...
|
||||
|
||||
def forward_train(self,
|
||||
img,
|
||||
data_samples):
|
||||
|
||||
class SingleStageInstanceSegmentor(BaseDetector):
|
||||
...
|
||||
|
||||
def forward_train(self,
|
||||
img,
|
||||
data_samples):
|
||||
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#### 2. 模块接口的简化
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MMDet 2.X 中 `HungarianAssigner` 和 `MaskHungarianAssigner` 分别用于在训练过程中将检测框和实例掩码和标注的实例进行匹配。他们内部的匹配逻辑实现是一样的，只是接口和损失函数的计算不同。
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但是，接口的不同使得 `HungarianAssigner` 中的代码无法被复用，`MaskHungarianAssigner` 中重写了很多冗余的逻辑。
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```python
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class HungarianAssigner(BaseAssigner):
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def assign(self,
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bbox_pred,
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cls_pred,
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gt_bboxes,
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gt_labels,
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img_meta,
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gt_bboxes_ignore=None,
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eps=1e-7):
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class MaskHungarianAssigner(BaseAssigner):
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def assign(self,
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cls_pred,
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mask_pred,
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||||
gt_labels,
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gt_mask,
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img_meta,
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gt_bboxes_ignore=None,
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eps=1e-7):
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```
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`InstanceData` 可以封装实例的框、分数、和掩码，将 `HungarianAssigner` 的核心参数简化成 `pred_instances`，`gt_instancess`，和 `gt_instances_ignore`
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使得 `HungarianAssigner` 和 `MaskHungarianAssigner` 可以合并成一个通用的 `HungarianAssigner`。
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```python
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class HungarianAssigner(BaseAssigner):
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def assign(self,
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pred_instances,
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gt_instancess,
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gt_instances_ignore=None,
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eps=1e-7):
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```
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## 命名规约
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为了保持不同任务数据之间的兼容性和统一性，我们建议抽象数据接口中对相同的数据使用统一的字段命名。
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在本文档中，我们暂时性地在下文列举一些算法方向的样本数据封装及其属性约定，后续会有更全面的文档来描述命名规约。
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用户在使用各算法库抽象接口的过程中，可以假定对应的数据（如有）在样本数据封装中是按照如下约定进行命名的。
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### ClsDataSample
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- gt_label (LabelData): 数据的分类标签
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- pred_label (LabelData): 模型对数据的分类预测结果
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### DetDataSample
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- pred_instances (InstanceData): 模型预测的实例
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- gt_instances (InstanceData): 标注的实例
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- gt_sem_seg (PixelData): 语义分割的标注
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- pred_sem_seg (PixelData): 语义分割任务的模型预测
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- gt_panoptic_seg (PixelData): 全景分割的标注
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- pred_panoptic_seg (PixelData): 全景分割任务的模型预测
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- proposals (InstanceData): 用于双阶段检测器的候选框提名
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- ignored_instances (InstanceData): 在训练中应当被忽视的实例
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### SegDataSample
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- gt_sem_seg (PixelData): 语义分割的标注
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- pred_sem_seg (PixelData): 语义分割任务的模型预测
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