阿里云天池cv入门赛记录(3)——TASK3 字符识别模型

前面进行了赛题的理解和赛题数据的读取,这次的任务是学习从头搭建一个字符识别模型。
1、NN
神经网络包含输入层、隐藏层、输出层,其中涉及的一些过程如图。
阿里云天池cv入门赛记录(3)——TASK3 字符识别模型_第1张图片
两车阿里云天池cv入门赛记录(3)——TASK3 字符识别模型_第2张图片以下内容来自Datawhale的讲义

2、CNN介绍
卷积神经网络(简称CNN)是一类特殊的人工神经网络,是深度学习中重要的一个分支。CNN在很多领域都表现优异,精度和速度比传统计算学习算法高很多。特别是在计算机视觉领域,CNN是解决图像分类、图像检索、物体检测和语义分割的主流模型。

CNN每一层由众多的卷积核组成,每个卷积核对输入的像素进行卷积操作,得到下一次的输入。随着网络层的增加卷积核会逐渐扩大感受野,并缩减图像的尺寸。
阿里云天池cv入门赛记录(3)——TASK3 字符识别模型_第3张图片
CNN是一种层次模型,输入的是原始的像素数据。CNN通过卷积(convolution)、池化(pooling)、非线性激活函数(non-linear activation function)和全连接层(fully connected layer)构成。

如下图所示为LeNet网络结构,是非常经典的字符识别模型。两个卷积层,两个池化层,两个全连接层组成。卷积核都是5×5,stride=1,池化层使用最大池化。
阿里云天池cv入门赛记录(3)——TASK3 字符识别模型_第4张图片
通过多次卷积和池化,CNN的最后一层将输入的图像像素映射为具体的输出。如在分类任务中会转换为不同类别的概率输出,然后计算真实标签与CNN模型的预测结果的差异,并通过反向传播更新每层的参数,并在更新完成后再次前向传播,如此反复直到训练完成 。
与传统机器学习模型相比,CNN具有一种端到端(End to End)的思路。在CNN训练的过程中是直接从图像像素到最终的输出,并不涉及到具体的特征提取和构建模型的过程,也不需要人工的参与。

2、CNN发展
随着网络结构的发展,研究人员最初发现网络模型结构越深、网络参数越多模型的精度更优。比较典型的是AlexNet、VGG、InceptionV3和ResNet的发展脉络。
阿里云天池cv入门赛记录(3)——TASK3 字符识别模型_第5张图片

  • LetNet-5(1998)
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  • AlexNet(2012)
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  • VGG-16(2014)
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  • Inception-v1(2014)
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  • ResNet-50(2015)
    阿里云天池cv入门赛记录(3)——TASK3 字符识别模型_第10张图片

3、Pytorch构建CNN模型
在Pytorch中构建CNN模型非常简单,只需要定义好模型的参数和正向传播即可,Pytorch会根据正向传播自动计算反向传播。

在本章我们会构建一个非常简单的CNN,然后进行训练。这个CNN模型包括两个卷积层,最后并联6个全连接层进行分类。

import torch
torch.manual_seed(0)
torch.backends.cudnn.deterministic = False
torch.backends.cudnn.benchmark = True

import torchvision.models as models
import torchvision.transforms as transforms
import torchvision.datasets as datasets
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torch.autograd import Variable
from torch.utils.data.dataset import Dataset


#定义模型
class SVHN_Model1(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SVHN_Model1, self).__init__()
        #CNN提取特征模块
        self.cnn = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3,16, kernel_size=(3,3), stride=(2,2)),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(2),
            nn.Conv2d(16, 32, kernel_size=(3,3), stride=(2,2)),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(2),
            )
            self.fc1 = nn.Linear(32*3*7, 11)
            self.fc2 = nn.Linear(32*3*7, 11)
            self.fc3 = nn.Linear(32*3*7, 11)
            self.fc4 = nn.Linear(32*3*7, 11)
            self.fc5 = nn.Linear(32*3*7, 11)
            self.fc6 = nn.Linear(32*3*7, 11)

    def forward(self, img):
        feat = self.cnn(img)
        feat = feat.view(feat.shape[0], -1)
        c1 = self.fc1(feat)
        c2 = self.fc2(feat)
        c3 = self.fc3(feat)
        c4 = self.fc4(feat)
        c5 = self.fc5(feat)
        c6 = self.fc6(feat)
        return c1, c2, c3, c4, c5, c6
 
 model = SVHN_Model1()

接下来是训练模型(需要使用baseline中的训练模型函数,在训练之前注意先定义完成train_loader):

def train(train_loader, model, criterion,optimizer):
    model.train()
    train_loss = []
    for i, (input, target) in enumerate(train_loader):
        if use_cuda: # 使用cuda
            input = input.cuda()
            target = target.cuda()
        c0, c1, c2, c3, c4 = model(input)
        target = target.long #这一步如果不写的话windows环境会报错
        loss = criterion(c0, target[:, 0]) + \
                criterion(c1, target[:, 1]) + \
                criterion(c2, target[:, 2]) + \
                criterion(c3, target[:, 3]) + \
                criterion(c4, target[:, 4]) + 
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

        if i % 100 == 0:
            print(loss.item())
        train_loss.append(loss.item())
    return np.mean(train_loss)

#损失函数,采用交叉熵
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
#优化器
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), 0.001)
best_loss = 1000.0
loss_plot = []
c0_plot = []
for epoch in range(10):
    train_loss = train(train_loader, model, criterion,optimizer)
    loss_plot.append(train_loss)
    

在训练完成后我们可以将训练过程中的损失和准确率进行绘制。可以看出模型的损失在迭代过程中逐渐减小,字符预测的准确率逐渐升高。

为了追求精度,也可以使用在ImageNet数据集上的预训练模型,具体方法如下:

class SVHN_Model2(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SVHN_Model1, self).__init__()
        
        model_conv = models.resnet18(pretrained=True)
        model_conv.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        model_conv = nn.Sequential(*list(model_conv.children())[:-1])
        self.cnn = model_conv

        self.fc1 = nn.Linear(512, 11)
        self.fc2 = nn.Linear(512, 11)
        self.fc3 = nn.Linear(512, 11)
        self.fc4 = nn.Linear(512, 11)
        self.fc5 = nn.Linear(512, 11)

    def forward(self, img):
        feat = self.cnn(img)
        # print(feat.shape)
        feat = feat.view(feat.shape[0], -1)
        c1 = self.fc1(feat)
        c2 = self.fc2(feat)
        c3 = self.fc3(feat)
        c4 = self.fc4(feat)
        c5 = self.fc5(feat)
        return c1, c2, c3, c4, c5

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