siamfc-pytorch代码讲解（二）：train&siamfc

这是第二篇的siamfc-pytorch代码讲解，主要顺着程序流讲解代码，上一篇讲解在这里：
siamfc-pytorch代码讲解（一）：backbone&head
show me code !!

一、train.py

因为作者使用了GOT-10k这个工具箱，train.py代码非常少，就下面几行：

from __future__ import absolute_import

import os
from got10k.datasets import *

from siamfc import TrackerSiamFC

if __name__ == '__main__':
    root_dir = os.path.expanduser('~/data/GOT-10k')
    seqs = GOT10k(root_dir, subset='train', return_meta=True)

    tracker = TrackerSiamFC()
    tracker.train_over(seqs)

首先我们就需要按照GOT-10k download界面去下载好数据集，并且按照这样的文件结构放好（因为现在用不到验证集和测试集，可以先不用下，训练集也只要先下载1个split，所以就需要把list.txt中只保留前500项，因为GOT-10k_Train_000001里面有500个squences）：

  |-- GOT-10k/
     |-- train/
     |  |-- GOT-10k_Train_000001/
     |  |   ......
     |  |-- GOT-10k_Train_000500/
     |  |-- list.txt

这里可以打印一下seps到底是什么，因为他是train_over的入参：

print(seqs)
# 
print(seqs[0])
# 这里比较多，截取一部分
# seqs[0]就是指第一个序列GOT-10k_Train_000001，返回三个元素的元组
# 第一个元素是一个路径列表，第二个是np.ndarray，第三个是字典，包含具体信息
# (['D:\\GOT-10k\\train\\GOT-10k_Train_000001\\00000001.jpg', ...],
# array([[347., 443., 429., 272.],...[551., 467., 513., 318.]]),
# {'url': 'https://youtu.be/b0ZnfLI8YPw',...})

二、siamfc.py

顺着代码流看到调用了siamfc.py中类TrackerSiamFC的train_over方法，在这个类里面就是进行数据增强，构造和加载，然后进行训练，这里主要有三个地方需要深入思考一下：

2.1 SiamFCTransforms

SiamFCTransforms是transforms.py里面的一个类，主要是对输入的groung truth的z, x, bbox_z, bbox_x进行一系列变换，构成孪生网络的输入，这其中就包括了：

• RandomStretch：主要是随机的resize图片的大小，其中要注意cv2.resize()的一点用法，可以参考我的这篇博客：cv2.resize()的一点小坑
• CenterCrop：从img中间抠一块(size, size)大小的patch，如果不够大，以图片均值进行pad之后再crop
• RandomCrop：用法类似CenterCrop，只不过从随机的位置抠，没有pad的考虑
• Compose：就是把一系列的transforms串起来
• ToTensor： 就是字面意思，把np.ndarray转化成torch tensor类型

类初始化里面针对self.transforms_z和self.transforms_x数据增强方法中具体参数的设置可以参考 issue#21，作者提到在train phase和test phase embedding size不一样没太大的影响，而且255-16可以模拟测试阶段目标的移动（个人感觉这里没有完全就按照论文上来，但也不用太在意，自己可以试着改回来看哪一个效果好）。
下面具体讲里面的_crop函数：

    def _crop(self, img, box, out_size):
        # convert box to 0-indexed and center based [y, x, h, w]
        box = np.array([
            box[1] - 1 + (box[3] - 1) / 2,
            box[0] - 1 + (box[2] - 1) / 2,
            box[3], box[2]], dtype=np.float32)
        center, target_sz = box[:2], box[2:]

        context = self.context * np.sum(target_sz)
        size = np.sqrt(np.prod(target_sz + context))
        size *= out_size / self.exemplar_sz

        avg_color = np.mean(img, axis=(0, 1), dtype=float)
        interp = np.random.choice([
            cv2.INTER_LINEAR,
            cv2.INTER_CUBIC,
            cv2.INTER_AREA,
            cv2.INTER_NEAREST,
            cv2.INTER_LANCZOS4])
        patch = ops.crop_and_resize(
            img, center, size, out_size,
            border_value=avg_color, interp=interp)
        
        return patch

因为GOT-10k里面对于目标的bbox是以ltwh(即left, top, weight, height)形式给出的，上述代码一开始就先把输入的box变成center based，坐标形式变为[y, x, h, w]，结合下面这幅图就非常好理解：$y=t+\frac{h}{2}$，$x=l+\frac{w}{2}$

crop_and_resize：

def crop_and_resize(img, center, size, out_size,
                    border_type=cv2.BORDER_CONSTANT,
                    border_value=(0, 0, 0),
                    interp=cv2.INTER_LINEAR):
    # convert box to corners (0-indexed)
    size = round(size)  # the size of square crop
    corners = np.concatenate((
        np.round(center - (size - 1) / 2),
        np.round(center - (size - 1) / 2) + size))
    corners = np.round(corners).astype(int)

    # pad image if necessary
    pads = np.concatenate((
        -corners[:2], corners[2:] - img.shape[:2]))
    npad = max(0, int(pads.max()))
    if npad > 0:
        img = cv2.copyMakeBorder(
            img, npad, npad, npad, npad,
            border_type, value=border_value)

    # crop image patch
    corners = (corners + npad).astype(int)
    patch = img[corners[0]:corners[2], corners[1]:corners[3]]

    # resize to out_size
    patch = cv2.resize(patch, (out_size, out_size),
                       interpolation=interp)

    return patch

现在进入ops.py下的crop_and_resize，这个函数的作用就是crop一块以object为中心的，边长为size大小的patch（如下面的绿色虚线的正方形框），然后将其resize成out_size的大小：传入size和center计算出角落坐标形式的正方形patch，即$(y_{min},x_{min},y_{max},x_{max})$，如下面两个点粗的绿点，因为这样扩大的坐标有可能会超出原来的图片（如粉红色线所表示），所以就要计算左上角和右下角相对原图片超出多少，好进行pad，上面13-14行代码就是干这事。然后根据他们超出当中的最大值npad来在原图像周围pad（也就是最外面的蓝框），因为原图像增大了，所以corner相对坐标也变了，对应上面22行代码。然后就是crop下来绿色方形的那块，经过resize后返回。

下面就是我的实验结果：

2.2 Pair

现在继续回到train_over方法，里面构造dataset的时候用了Pair类，所以从代码角度具体来看一下，因为继承了Dataset类，所以要overwrite __getitem__和__len__方法：

• __getitem__：分析代码，这个方法就是通过index索引返回item = (z, x, box_z, box_x)，然后经过transforms返回一对pair(z, x)，就需要像论文里面说的：The images are extracted from two frames of a video that both contain the object and are at most T frames apart 。
  • _filter：通过该函数筛选符合条件的有效索引val_indices，这里不详细分析，因为我也不知道为什么会有这样的filter condition。
  • _sample_pair：如果有效索引大于2个的话，就从中随机挑选两个索引，这里取的间隔不超过T=100
• __len__：这里定义的长度就是被索引到的视频序列帧数×每个序列提供的对数

2.3 train_step

现在来到siamfc.py里面最后一个关键的地方，数据准备好了，经过变换和加载进来就可以训练了，下面代码是常规操作，具体在train_step里面实现了训练和反向传播：

for epoch in range(self.cfg.epoch_num):
    # update lr at each epoch
    self.lr_scheduler.step(epoch=epoch)

    # loop over dataloader
    for it, batch in enumerate(dataloader):
        loss = self.train_step(batch, backward=True)
        print('Epoch: {} [{}/{}] Loss: {:.5f}'.format(
            epoch + 1, it + 1, len(dataloader), loss))
        sys.stdout.flush()

而train_step里面难度又是在于理解_create_labels，具体的一些tensor的shape可以看我的注释，我好奇就把他打印出来了，看来本来__getitem__返回一对pair(z, x)，经过dataloader的加载，还是z堆叠一起，x堆叠一起，并不是(z, x)绑定堆叠一起【主要自己对dataloader源码不是很熟，手动捂脸】
而且criterion使用的BalancedLoss，是调用F.binary_cross_entropy_with_logits，进行一个element-wise的交叉熵计算，所以创建出来的labels的shape其实就是和responses的shape是一样的：

def train_step(self, batch, backward=True):
    # set network mode
    self.net.train(backward)

    # parse batch data
    z = batch[0].to(self.device, non_blocking=self.cuda)
    x = batch[1].to(self.device, non_blocking=self.cuda)
    # print("batch_z shape:", z.shape)  # torch.Size([8, 3, 127, 127])
    # print("batch_x shape:", x.shape)  # torch.Size([8, 3, 239, 239])

    with torch.set_grad_enabled(backward):
        # inference
        responses = self.net(z, x)
        # print("responses shape:", responses.shape) # torch.Size([8, 1, 15, 15])

        # calculate loss
        labels = self._create_labels(responses.size())
        loss = self.criterion(responses, labels)

        if backward:
            # back propagation
            self.optimizer.zero_grad()
            loss.backward()
            self.optimizer.step()

创建标签，论文里是这么说的：
$$y[u]=\{\begin{array}{ll}+1& \text{ if }k\Vert u-c\Vert \le R\\ -1& \text{ otherwise }\end{array}$$
因为我们的exemplar image $z$ 和search image $x$都是以目标为中心的，所以labels的中心为1，中心以外为0。

def _create_labels(self, size):
    # skip if same sized labels already created
    if hasattr(self, 'labels') and self.labels.size() == size:
        return self.labels

    def logistic_labels(x, y, r_pos, r_neg):
        dist = np.abs(x) + np.abs(y)  # block distance
        labels = np.where(dist <= r_pos,
                          np.ones_like(x),
                          np.where(dist < r_neg,
                                   np.ones_like(x) * 0.5,
                                   np.zeros_like(x)))
        return labels

    # distances along x- and y-axis
    n, c, h, w = size
    x = np.arange(w) - (w - 1) / 2
    y = np.arange(h) - (h - 1) / 2
    x, y = np.meshgrid(x, y)

    # create logistic labels 这里除以stride，是相对score map上来说
    r_pos = self.cfg.r_pos / self.cfg.total_stride
    r_neg = self.cfg.r_neg / self.cfg.total_stride
    labels = logistic_labels(x, y, r_pos, r_neg)

    # repeat to size
    labels = labels.reshape((1, 1, h, w))
    labels = np.tile(labels, (n, c, 1, 1))

    # convert to tensors
    self.labels = torch.from_numpy(labels).to(self.device).float()

    return self.labels

其中关于np.tile、np.meshgrid、np.where函数的使用可以去看我这篇博客，最后出来的一个batch下某一个通道下的label就是下面这样的，有没有一种扫雷的既视感，：

至此此份repo的训练应该差不多结束了，测试部分(inference phase)我还没怎么看，且涉及到GOT-10k的使用，下一次有空再看再写~

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