Network Morphism Tuner
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1. 介绍
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`Autokeras <https://arxiv.org/abs/1806.10282>`__ 是使用 Network Morphism 算法的流行的自动机器学习工具。 Autokeras 的基本理念是使用贝叶斯回归来预测神经网络架构的指标。 每次都会从父网络生成几个子网络。 然后使用朴素贝叶斯回归，从网络的历史训练结果来预测它的指标值。 接下来，会选择预测结果最好的子网络加入训练队列中。 在 `此代码 <https://github.com/jhfjhfj1/autokeras>`__ 的启发下，我们在 NNI 中实现了 Network Morphism 算法。

要了解 Network Morphism Trial 的用法，参考 :githublink:`Readme <examples/trials/network_morphism/README.rst>`。

2. 用法
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要使用 Network Morphism，需要如下配置 ``config.yml`` 文件：

.. code-block:: yaml

   tuner:
     #choice: NetworkMorphism
     builtinTunerName: NetworkMorphism
     classArgs:
       #choice: maximize, minimize
       optimize_mode: maximize
       # 当前，此 Tuner 仅支持视觉领域。
       task: cv
       # 修改以适合输入图像的宽度
       input_width: 32
       # 修改以适合输入图像的通道数
       input_channel: 3
       # 修改以适合类数
       n_output_node: 10

在训练过程中，会生成一个 JSON 文件来表示网络图。 可调用 ``json\_to\_graph()`` 函数来将 JSON 文件转化为 Pytoch 或 Keras 模型。

.. code-block:: python

   import nni
   from nni.networkmorphism_tuner.graph import json_to_graph

   def build_graph_from_json(ir_model_json):
       """从json构建pytorch模型
       """
       graph = json_to_graph(ir_model_json)
       model = graph.produce_torch_model()
       return model

   # Trial 从 Network Morphism Tuner 获取下一个参数
   RCV_CONFIG = nni.get_next_parameter()
   # 调用此函数来构建pytorch模型或keras模型
   net = build_graph_from_json(RCV_CONFIG)

   # 训练过程
   # ....

   # 将最终精度返回给 NNI
   nni.report_final_result(best_acc)

如果需要保存并读取 **最佳模型** ，推荐采用以下方法。

.. code-block:: python

   # 1. 使用 NNI API
   # 从 WebUI 获得最佳模型 ID
   # 或者 ``nni-experiments/experiment_id/log/model_path/best_model.txt``

   # 从模型文件中读取 json 字符串，并用 NNI API 加载
   with open("best-model.json") as json_file:
       json_of_model = json_file.read()
   model = build_graph_from_json(json_of_model)

   # 2. # 使用框架 API
   # 2.1 Keras API

   # 在 Trial 代码中使用 Keras API 保存模型
   # 最好在 NNI 本地模式下保存 id
   model_id = nni.get_sequence_id()
   # 将模型序列化为 JSON
   model_json = model.to_json()
   with open("model-{}.json".format(model_id), "w") as json_file:
       json_file.write(model_json)
   # 将权重序列化为 HDF5
   model.save_weights("model-{}.h5".format(model_id))

   # 重用模型时，使用 Keras API 读取
   # 读取 JSON 文件，并创建模型
   model_id = "" # 需要重用的模型 ID
   with open('model-{}.json'.format(model_id), 'r') as json_file:
       loaded_model_json = json_file.read()
   loaded_model = model_from_json(loaded_model_json)
   # 将权重加载到新模型中
   loaded_model.load_weights("model-{}.h5".format(model_id))

   # 2.2 PyTorch API

   # 在 Trial 代码中使用 PyTorch API 保存
   model_id = nni.get_sequence_id()
   torch.save(model, "model-{}.pt".format(model_id))

   # 重用模型时，使用 PyTorch API 读取
   model_id = "" # id of the model you want to reuse
   loaded_model = torch.load("model-{}.pt".format(model_id))

3. 文件结构
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Tuner 有大量的文件、函数和类。 这里简单介绍最重要的文件：


* 
  ``networkmorphism_tuner.py`` 是使用 network morphism 算法的 Tuner。

* 
  ``bayesian.py`` 是用来基于已经搜索到的模型来预测未知模型指标的贝叶斯算法。

* ``graph.py``  是元图数据结构。 类 Graph 表示了模型的神经网络图。

  * Graph 从模型中抽取神经网络。
  * 图中的每个节点都是层之间的中间张量。
  * 在图中，边表示层。
  * 注意，多条边可能会表示同一层。

* 
  ``graph_transformer.py`` 包含了一些图转换，包括变宽，变深，或在图中增加跳跃连接。

* 
  ``layers.py``  包括模型中用到的所有层。

* ``layer_transformer.py`` 包含了一些层转换，包括变宽，变深，或在层中增加跳跃连接。
* ``nn.py`` 包括生成初始网络的类。
* ``metric.py`` 包括了一些指标类，如 Accuracy 和 MSE。
* ``utils.py`` 是使用 Keras 在数据集 ``cifar10`` 上搜索神经网络的示例。

4. 网络表示的 JSON 示例
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这是样例定义的中间表示 JSON 文件，它会在架构搜索过程中从 Tuner 传到 Trial。 可调用 Trial 代码中的 ``json_to_graph()`` 函数来将 JSON 文件转化为 Pytoch 或 Keras 模型。

.. code-block:: json

   {
        "input_shape": [32, 32, 3],
        "weighted": false,
        "operation_history": [],
        "layer_id_to_input_node_ids": {"0": [0],"1": [1],"2": [2],"3": [3],"4": [4],"5": [5],"6": [6],"7": [7],"8": [8],"9": [9],"10": [10],"11": [11],"12": [12],"13": [13],"14": [14],"15": [15],"16": [16]
        },
        "layer_id_to_output_node_ids": {"0": [1],"1": [2],"2": [3],"3": [4],"4": [5],"5": [6],"6": [7],"7": [8],"8": [9],"9": [10],"10": [11],"11": [12],"12": [13],"13": [14],"14": [15],"15": [16],"16": [17]
        },
        "adj_list": {
            "0": [[1, 0]],
            "1": [[2, 1]],
            "2": [[3, 2]],
            "3": [[4, 3]],
            "4": [[5, 4]],
            "5": [[6, 5]],
            "6": [[7, 6]],
            "7": [[8, 7]],
            "8": [[9, 8]],
            "9": [[10, 9]],
            "10": [[11, 10]],
            "11": [[12, 11]],
            "12": [[13, 12]],
            "13": [[14, 13]],
            "14": [[15, 14]],
            "15": [[16, 15]],
            "16": [[17, 16]],
            "17": []
        },
        "reverse_adj_list": {
            "0": [],
            "1": [[0, 0]],
            "2": [[1, 1]],
            "3": [[2, 2]],
            "4": [[3, 3]],
            "5": [[4, 4]],
            "6": [[5, 5]],
            "7": [[6, 6]],
            "8": [[7, 7]],
            "9": [[8, 8]],
            "10": [[9, 9]],
            "11": [[10, 10]],
            "12": [[11, 11]],
            "13": [[12, 12]],
            "14": [[13, 13]],
            "15": [[14, 14]],
            "16": [[15, 15]],
            "17": [[16, 16]]
        },
        "node_list": [
            [0, [32, 32, 3]],
            [1, [32, 32, 3]],
            [2, [32, 32, 64]],
            [3, [32, 32, 64]],
            [4, [16, 16, 64]],
            [5, [16, 16, 64]],
            [6, [16, 16, 64]],
            [7, [16, 16, 64]],
            [8, [8, 8, 64]],
            [9, [8, 8, 64]],
            [10, [8, 8, 64]],
            [11, [8, 8, 64]],
            [12, [4, 4, 64]],
            [13, [64]],
            [14, [64]],
            [15, [64]],
            [16, [64]],
            [17, [10]]
        ],
        "layer_list": [
            [0, ["StubReLU", 0, 1]],
            [1, ["StubConv2d", 1, 2, 3, 64, 3]],
            [2, ["StubBatchNormalization2d", 2, 3, 64]],
            [3, ["StubPooling2d", 3, 4, 2, 2, 0]],
            [4, ["StubReLU", 4, 5]],
            [5, ["StubConv2d", 5, 6, 64, 64, 3]],
            [6, ["StubBatchNormalization2d", 6, 7, 64]],
            [7, ["StubPooling2d", 7, 8, 2, 2, 0]],
            [8, ["StubReLU", 8, 9]],
            [9, ["StubConv2d", 9, 10, 64, 64, 3]],
            [10, ["StubBatchNormalization2d", 10, 11, 64]],
            [11, ["StubPooling2d", 11, 12, 2, 2, 0]],
            [12, ["StubGlobalPooling2d", 12, 13]],
            [13, ["StubDropout2d", 13, 14, 0.25]],
            [14, ["StubDense", 14, 15, 64, 64]],
            [15, ["StubReLU", 15, 16]],
            [16, ["StubDense", 16, 17, 64, 10]]
        ]
    }

可将模型视为 `有向无环图 <https://zh.wikipedia.org/wiki/Directed_acyclic_graph>`__。 每个模型的定义都是一个 JSON 对象：


* ``input_shape`` 是整数的列表，不包括批量维度。
* ``weighted`` 表示是否权重和偏移值应该包含在此神经网络图中。
* ``operation_history`` 是保存了所有网络形态操作的列表。
* ``layer_id_to_input_node_ids`` 是字典，将层的标识映射到输入节点标识。
* ``layer_id_to_output_node_ids`` 是字典，将层的标识映射到输出节点标识。
* ``adj_list`` 是二维列表，是图的邻接表。 第一维是张量标识。 在每条边的列表中，元素是两元组（张量标识，层标识）。
* ``reverse_adj_list`` 是与 adj_list 格式一样的反向邻接列表。
* ``node_list`` 是一个整数列表。 列表的索引是标识。
* 
  ``layer_list`` 是层的列表。 列表的索引是标识。


  * 
    对于 ``StubConv(StubConv1d, StubConv2d, StubConv3d)``，后面的数字表示节点的输入 id（或 id 列表），节点输出 id，input_channel，filters，kernel_size，stride 和 padding。

  * 
    对于 ``StubDense``，后面的数字表示节点的输入 id （或 id 列表），节点输出 id，input_units 和 units。

  * 
    对于 ``StubBatchNormalization (StubBatchNormalization1d, StubBatchNormalization2d, StubBatchNormalization3d)``，后面的数字表示节点输入 id（或 id 列表），节点输出 id，和特征数量。

  * 
    对于 ``StubDropout(StubDropout1d, StubDropout2d, StubDropout3d)``，后面的数字表示节点的输入 id （或 id 列表），节点的输出 id 和 dropout 率。

  * 
    对于 ``StubPooling (StubPooling1d, StubPooling2d, StubPooling3d)`` 后面的数字表示节点的输入 id（或 id 列表），节点输出 id，kernel_size, stride 和 padding。

  * 
    对于其它层，后面的数字表示节点的输入 id（或 id 列表）以及节点的输出 id。

5. TODO
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下一步，会将 API 从固定网络生成器，改为有更多可用操作的网络生成器。 会使用 ONNX 格式来替代 JSON 作为中间表示结果。
