LeCun推荐：最新PyTorch图神经网络库，速度快15倍（GitHub+论文）

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来源：Github、arXiv

转载自：新智元，未经允许不得二次转载

过去十年来，深度学习方法（例如卷积神经网络和递归神经网络）在许多领域取得了前所未有的成就，例如计算机视觉和语音识别。

研究者主要将深度学习方法应用于欧氏结构数据 (Euclidean domains)，但在许多重要的应用领域，如生物学、物理学、网络科学、推荐系统和计算机图形学，可能不得不处理非欧式结构的数据，比如图和流形。

直到最近，深度学习在这些特定领域的采用一直很滞后，主要是因为数据的非欧氏结构性质使得基本操作（例如卷积）的定义相当困难。在这个意义上，几何深度学习将深度学习技术扩展到了图/流形结构数据。

图神经网络 (GNN）是近年发展起来的一个很有前景的深度学习方向，也是一种强大的图、点云和流形表示学习方法。

然而，实现 GNN 具有挑战性，因为需要在高度稀疏且不规则、不同大小的数据上实现高 GPU 吞吐量。

近日，德国多特蒙德工业大学的研究者两位 Matthias Fey 和 Jan E. Lenssen，提出了一个基于 PyTorch 的几何深度学习扩展库 PyTorch Geometric (PyG)，为 GNN 的研究和应用再添利器。

论文：

https://arxiv.org/pdf/1903.02428.pdf

Yann Lecun 也热情推荐了这个工作，称赞它是一个快速、美观的 PyTorch 库，用于几何深度学习 (图和其他不规则结构的神经网络)。

作者声称，PyG 甚至比几个月前 NYU、AWS 联合开发的图神经网络库 DGL(Deep Graph Library) 快了 15 倍！

作者在论文中写道：“这是一个 PyTorch 的几何深度学习扩展库，它利用专用的 CUDA 内核实现了高性能。它遵循一个简单的消息传递 API，将最近提出的大多数卷积和池化层捆绑到一个统一的框架中。所有实现的方法都支持 CPU 和 GPU 计算，并遵循一个不可变的数据流范式，该范式支持图结构随时间的动态变化。”

PyG 已经在 MIT 许可下发布，可以在 GitHub 上获取。里面有完整的文档说明，并提供了作为起点的教程和示例。

地址：

https://github.com/rusty1s/pytorch_geometric

PyTorch Geometry 是一个基于 PyTorch 的几何深度学习扩展库，用于不规则结构输入数据，例如图 (graphs)、点云 (point clouds) 和流形 (manifolds)。

PyTorch Geometry 包含了各种针对图形和其他不规则结构的深度学习方法，也称为几何深度学习，来自于许多已发表的论文。

此外，它还包含一个易于使用的 mini-batch 加载器、多 GPU 支持、大量通用基准数据集和有用的转换，既可以学习任意图形，也可以学习 3D 网格或点云。

在 PyG 中 , 我们用一个节点特征矩阵和一个稀疏邻接元组代表一个图

其中以坐标格式编码索引，保持 D 维边缘特征。

所有面向用户的 API，据加载例程、多 GPU 支持、数据增强或模型实例化都很大程度上受到 PyTorch 的启发，以便使它们尽可能保持熟悉。

Neighborhood Aggregation：将卷积算子推广到不规则域通常表示为一个邻域聚合(neighborhood aggregation)，或 message passing scheme (Gilmer et al., 2017)。

其中，表示一个可微分的置换不变函数，例如 sum, mean or max，而和表示可微分函数，例如 MLP。

在实践中，这可以通过收集和散布节点特性并利用 broadcasting 进行和的element-wise 计算来实现，如图 1 所示。虽然处理的是不规则结构的输入，但这种方案可以通过 GPU 大大加速。

图 1

几乎所有最近提出的邻域聚合函数可以利用这个接口，已经集成到 PyG 的方法包括 (但不限于)：

对于任意图形学习，我们已经实现了：

• GCN (Kipf & Welling, 2017) 和它的简化版本 SGC (Wu et al., 2019)

• spectral chebyshev 和 ARMA filter convolutionss (Defferrard et al., 2016; Bianchi et al., 2019)

• GraphSAGE (Hamilton et al., 2017)

• attention-based operators GAT (Veličković et al., 2018) 及 AGNN (Thekumparampil et al., 2018),

• Graph Isomorphism Network (GIN) from Xu et al. (2019)

• Approximate Personalized Propagation of Neural Predictions (APPNP) operator (Klicpera et al., 2019)

对于学习具有多维边缘特征的点云，流形和图，我们提供了：

• Schlichtkrull et al. (2018) 的 relational GCN operator

• PointNet++ (Qi et al., 2017)

• PointCNN (Li et al., 2018)

• kernel-based methods MPNN (Gilmer et al., 2017),

• MoNet (Monti et al., 2017)

• SplineCNN (Fey et al., 2018)

• 以及边缘卷积算子 EdgeCNN (Wang et al., 2018b).

我们通过对同类评估场景进行综合比较研究，评估了利用 PyG 所实现方法的正确性。所有使用过的数据集的描述和统计可以在论文附录中找到。

对于所有的实验，我们都尽可能地遵循各自原始论文的超参数设置，GitHub 存储库中提供了复制所有实验的代码。

表 2：图分类的结果

表 3：点云分类的结果

我们对多个数据模型对进行了多次实验，并报告了在单个 NVIDIA GTX 1080 Ti 上获得的整个训练过程的运行情况 (表 4)。与 Deep Graph Library (DGL)(Wang et al., 2018a) 相比，PyG 训练模型的速度快了 15 倍。

表 4：训练 runtime 比较

PyTorch Geometric 使实现图卷积网络变得非常容易 (请参阅 GitHub 上的教程)。

例如，这就是实现一个边缘卷积层 (edge convolution layer) 所需的全部代码：

import torchfrom torch.nn import Sequential as Seq, Linear as Lin, ReLUfrom torch_geometric.nn import MessagePassing
class EdgeConv(MessagePassing):    def __init__(self, F_in, F_out):        super(EdgeConv, self).__init__()        self.mlp = Seq(Lin(2 * F_in, F_out), ReLU(), Lin(F_out, F_out))
    def forward(self, x, edge_index):        # x has shape [N, F_in]        # edge_index has shape [2, E]        return self.propagate(aggr='max', edge_index=edge_index, x=x)  # shape [N, F_out]
    def message(self, x_i, x_j):        # x_i has shape [E, F_in]        # x_j has shape [E, F_in]        edge_features = torch.cat([x_i, x_j - x_i], dim=1)  # shape [E, 2 * F_in]        return self.mlp(edge_features)  # shape [E, F_out]

此外，与其他深度图神经网络库相比，PyTorch Geometric 的速度更快:

表：在一块 NVIDIA GTX 1080Ti 上的训练 runtime

安装

确保至少安装了 PyTorch 1.0.0，并验证 cuda/bin 和 cuda/include 分别位于 $PATH 和$cpathrespecific，例如：

$ python -c "import torch; print(torch.__version__)">>> 1.0.0
$ echo $PATH>>> /usr/local/cuda/bin:...
$ echo $CPATH>>> /usr/local/cuda/include:...

然后运行：

$ pip install --upgrade torch-scatter$ pip install --upgrade torch-sparse$ pip install --upgrade torch-cluster$ pip install --upgrade torch-spline-conv (optional)$ pip install torch-geometric

运行示例

cd examplespython cora.py

paper：

https://arxiv.org/pdf/1903.02428.pdf

GitHub：

https://github.com/rusty1s/pytorch_geometric

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