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egnn-pytorch

PyTorch实现的E(n)等变图神经网络

这个开源项目使用PyTorch实现了E(n)等变图神经网络(EGNN)。项目提供了EGNN的简洁接口,支持边特征和稀疏邻居等功能。EGNN在动力系统建模和分子活性预测等任务中表现领先。项目还包含详细示例和稳定性优化方法,适用于处理复杂的图结构数据。

在使用掩码时发现了邻居选择的一个bug。如果你在0.1.12版本之前运行了任何带有掩码的实验,请重新运行它们。🙏

EGNN - PyTorch

这是E(n)等变图神经网络在PyTorch中的实现。可能最终会用于AlphaFold2的复现。这种技术采用了简单的不变特征,最终在精确度和性能上超越了所有之前的方法(包括SE3 Transformer和Lie Conv)。在动力系统模型、分子活性预测任务等方面达到了最先进水平。

安装

$ pip install egnn-pytorch

使用方法

import torch
from egnn_pytorch import EGNN

layer1 = EGNN(dim = 512)
layer2 = EGNN(dim = 512)

feats = torch.randn(1, 16, 512)
coors = torch.randn(1, 16, 3)

feats, coors = layer1(feats, coors)
feats, coors = layer2(feats, coors) # (1, 16, 512), (1, 16, 3)

带边的情况

import torch
from egnn_pytorch import EGNN

layer1 = EGNN(dim = 512, edge_dim = 4)
layer2 = EGNN(dim = 512, edge_dim = 4)

feats = torch.randn(1, 16, 512)
coors = torch.randn(1, 16, 3)
edges = torch.randn(1, 16, 16, 4)

feats, coors = layer1(feats, coors, edges)
feats, coors = layer2(feats, coors, edges) # (1, 16, 512), (1, 16, 3)

完整的EGNN网络

import torch
from egnn_pytorch import EGNN_Network

net = EGNN_Network(
    num_tokens = 21,
    num_positions = 1024,           # 除非你传入的是无序集合,否则将此设置为最大序列长度
    dim = 32,
    depth = 3,
    num_nearest_neighbors = 8,
    coor_weights_clamp_value = 2.   # 坐标权重的绝对限制值,如果增加最近邻数量则需要此参数
)

feats = torch.randint(0, 21, (1, 1024)) # (1, 1024)
coors = torch.randn(1, 1024, 3)         # (1, 1024, 3)
mask = torch.ones_like(feats).bool()    # (1, 1024)

feats_out, coors_out = net(feats, coors, mask = mask) # (1, 1024, 32), (1, 1024, 3)

仅关注稀疏邻居,通过邻接矩阵提供给网络。

import torch
from egnn_pytorch import EGNN_Network

net = EGNN_Network(
    num_tokens = 21,
    dim = 32,
    depth = 3,
    only_sparse_neighbors = True
)

feats = torch.randint(0, 21, (1, 1024))
coors = torch.randn(1, 1024, 3)
mask = torch.ones_like(feats).bool()

# 简单的邻接矩阵
# 假设序列作为一条链连接,最多有2个邻居 - (1024, 1024)
i = torch.arange(1024)
adj_mat = (i[:, None] >= (i[None, :] - 1)) & (i[:, None] <= (i[None, :] + 1))

feats_out, coors_out = net(feats, coors, mask = mask, adj_mat = adj_mat) # (1, 1024, 32), (1, 1024, 3)

你也可以让网络自动确定N阶邻居,并传入一个邻接嵌入(取决于阶数)作为边使用,只需添加两个额外的关键字参数

import torch
from egnn_pytorch import EGNN_Network

net = EGNN_Network(
    num_tokens = 21,
    dim = 32,
    depth = 3,
    num_adj_degrees = 3,           # 获取最多3阶邻居
    adj_dim = 8,                   # 将邻接度嵌入传递给EGNN层,用于边MLP
    only_sparse_neighbors = True
)

feats = torch.randint(0, 21, (1, 1024))
coors = torch.randn(1, 1024, 3)
mask = torch.ones_like(feats).bool()

# 简单的邻接矩阵
# 假设序列作为一条链连接,最多有2个邻居 - (1024, 1024)
i = torch.arange(1024)
adj_mat = (i[:, None] >= (i[None, :] - 1)) & (i[:, None] <= (i[None, :] + 1))
feats_out, coors_out = net(feats, coors, mask = mask, adj_mat = adj_mat) # (1, 1024, 32), (1, 1024, 3)

## 边

如果你需要传入连续的边

```python
import torch
from egnn_pytorch import EGNN_Network

net = EGNN_Network(
    num_tokens = 21,
    dim = 32,
    depth = 3,
    edge_dim = 4,
    num_nearest_neighbors = 3
)

feats = torch.randint(0, 21, (1, 1024))
coors = torch.randn(1, 1024, 3)
mask = torch.ones_like(feats).bool()

continuous_edges = torch.randn(1, 1024, 1024, 4)

# 简单的邻接矩阵
# 假设序列作为一条链连接,最多有2个邻居 - (1024, 1024)
i = torch.arange(1024)
adj_mat = (i[:, None] >= (i[None, :] - 1)) & (i[:, None] <= (i[None, :] + 1))

feats_out, coors_out = net(feats, coors, edges = continuous_edges, mask = mask, adj_mat = adj_mat) # (1, 1024, 32), (1, 1024, 3)

稳定性

EGNN的初始架构在邻居数量较多时存在不稳定性问题。幸运的是,似乎有两个解决方案可以在很大程度上缓解这个问题。

import torch
from egnn_pytorch import EGNN_Network

net = EGNN_Network(
    num_tokens = 21,
    dim = 32,
    depth = 3,
    num_nearest_neighbors = 32,
    norm_coors = True,              # 对相对坐标进行归一化
    coor_weights_clamp_value = 2.   # 坐标权重的绝对钳制值,如果增加最近邻居数量则需要设置
)

feats = torch.randint(0, 21, (1, 1024)) # (1, 1024)
coors = torch.randn(1, 1024, 3)         # (1, 1024, 3)
mask = torch.ones_like(feats).bool()    # (1, 1024)

feats_out, coors_out = net(feats, coors, mask = mask) # (1, 1024, 32), (1, 1024, 3)

所有参数

import torch
from egnn_pytorch import EGNN

model = EGNN(
    dim = dim,                         # 输入维度
    edge_dim = 0,                      # 边的维度,如果存在,应该 > 0
    m_dim = 16,                        # 隐藏模型维度
    fourier_features = 0,              # 相对距离编码的傅里叶特征数量 - 默认为论文中的无
    num_nearest_neighbors = 0,         # 通过相对距离限制进行消息传递的邻居数量上限
    dropout = 0.0,                     # dropout
    norm_feats = False,                # 是否对特征进行层归一化
    norm_coors = False,                # 是否对坐标进行归一化,使用SE(3) Transformers论文中的策略    
    update_feats = True,               # 是否更新特征 - 你可以构建一个只更新其中一个的层
    update_coors = True,               # 是否更新坐标
    only_sparse_neighbors = False,     # 使用此选项将只允许沿相邻邻居进行消息传递,使用传入的邻接矩阵 
    valid_radius = float('inf'),       # 每个节点考虑进行消息传递的有效半径
    m_pool_method = 'sum',             # 是否对输出节点表示进行平均或求和池化
    soft_edges = False,                # 边上的额外GLU,据说有助于在论文更新版本中稳定网络
    coor_weights_clamp_value = None    # 坐标更新的钳制,同样是为了稳定性目的
)

示例

要运行蛋白质主链去噪示例,首先安装 sidechainnet

$ pip install sidechainnet

然后

$ python denoise_sparse.py

测试

确保你在本地安装了 pytorch geometric

$ python setup.py test

引用

@misc{satorras2021en,
    title 	= {E(n) Equivariant Graph Neural Networks}, 
    author 	= {Victor Garcia Satorras and Emiel Hoogeboom and Max Welling},
    year 	= {2021},
    eprint 	= {2102.09844},
    archivePrefix = {arXiv},
    primaryClass = {cs.LG}
}
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