Linux深入浅出PyTorch（四）PyTorch进阶训练技巧

一、自定义损失函数

• PyTorch中自定义了许多常用损失函数，前面的笔记Linux深入浅出PyTorch（二）中列出了15个损失函数，如MSELoss，L1Loss等
• 随着发展，出现了许多非官方提供的Loss，如DiceLoss，HuberLoss等
• 非官方提供的Loss，专门针对一些非通用的模型，需要通过自定义损失函数方式实现；若需提出全新的损失函数，也需要自定义。

1. 以函数方式定义

def my_loss(output, target):
    loss = torch.mean((output - target)**2) # 差的平方再求平均
    return loss

2. 以类方式定义

• 比较常用
• Loss 函数部分继承自-loss，部分继承自_WeightedLoss，_WeightedLoss继承自_loss，_loss继承自nn.Module
• 可以将 Loss 当作神经网络的一层来对待，所以自定义损失函数类需要继承自nn.Module类。

以DiceLoss为例：

• DiceLoss是一种在分割领域常见的损失函数
• Dice 可以理解为是两个轮廓区域的相似程度，用A、B表示两个轮廓区域所包含的点集，定义如下 [2]：
  $$DSC=\frac{2|X\cap Y|}{|X|+|Y|}$$
• 也可以表示为(TP，FP，FN分别是真阳性、假阳性、假阴性的个数)[2]：
  $$DSC=\frac{2TP}{2TP+FN+FP}$$
• 实现代码如下：

class DiceLoss(nn.Module): # 继承自nn.Module类
    def __init__(self,weight=None,size_average=True):
        super(DiceLoss,self).__init__()
        
    def forward(self,inputs,targets,smooth=1):
        inputs = F.sigmoid(inputs)
        inputs = inputs.view(-1) # view：将原Tensor按照行优先的书序排成一维数据
        targets = targets.view(-1)
        intersection = (inputs * targets).sum()
        dice = (2.*intersection + smooth)/(inputs.sum() + targets.sum() + smooth)
        return 1 - dice

# 使用方法    
criterion = DiceLoss() # 实例化
loss = criterion(input, targets)

3. 其他常见的自定义损失函数

（1）BCE-Dice Loss

Dice Loss + Binary Cross Entropy(二分类交叉熵损失函数)

class DiceBCELoss(nn.Module):
    def __init__(self, weight=None, size_average=True):
        super(DiceBCELoss, self).__init__()

    def forward(self, inputs, targets, smooth=1):
        inputs = F.sigmoid(inputs)       
        inputs = inputs.view(-1)
        targets = targets.view(-1)
        intersection = (inputs * targets).sum()                     
        dice_loss = 1 - (2.*intersection + smooth)/(inputs.sum() + targets.sum() + smooth)  
        BCE = F.binary_cross_entropy(inputs, targets, reduction='mean')
        Dice_BCE = BCE + dice_loss
        
        return Dice_BCE

（2）Jaccard/Intersection over Union (IoU) Loss

• 在图像分割领域，IoU定义(TP，FP，FN分别是真阳性、假阳性、假阴性的个数) [2]：
  $$IoU=\frac{TP}{TP+FP+FN}$$
• 作为Loss function，定义为(X为预测值, Y为真实标签) [2]：
  $$IoU=\frac{I(X)}{U(X)},I(X)=X\ast Y,U(X)=X+Y-X\ast Y$$
• 代码如下：

class IoULoss(nn.Module):
    def __init__(self, weight=None, size_average=True):
        super(IoULoss, self).__init__()

    def forward(self, inputs, targets, smooth=1):
        inputs = F.sigmoid(inputs)
        inputs = inputs.view(-1)
        targets = targets.view(-1)
        intersection = (inputs * targets).sum()
        total = (inputs + targets).sum()
        union = total - intersection
        
        IoU = (intersection + smooth)/(union + smooth)
        
        return 1 - IoU

（3）Focal Loss

• focal loss的提出是在目标检测领域，为了解决正负样本比例严重失衡的问题，是由log loss改进而来的 [2]
• 公式如下 [2]：
  

ALPHA = 0.8
GAMMA = 2

class FocalLoss(nn.Module):
    def __init__(self, weight=None, size_average=True):
        super(FocalLoss, self).__init__()

    def forward(self, inputs, targets, alpha=ALPHA, gamma=GAMMA, smooth=1):
        inputs = F.sigmoid(inputs)
        inputs = inputs.view(-1)
        targets = targets.view(-1)
        BCE = F.binary_cross_entropy(inputs, targets, reduction='mean')
        BCE_EXP = torch.exp(-BCE)
        focal_loss = alpha * (1-BCE_EXP)**gamma * BCE
        
        return focal_loss

注意：自定义损失函数需要数学运算时，最好全程使用PyTorch提供的张量计算接口，这样就不需要单独实现自动求导功能，并且可以直接调用cuda。

二、动态调整学习率

学习率 [3]：

• 梯度下降的过程中更新权重时的超参数；
• 学习率越低，损失函数的变化速度就越慢，容易过拟合；
• 学习率过高容易发生梯度爆炸，loss振动幅度较大，模型难以收敛；
• 选定一个合适的学习率，经过许多轮的训练后，可能会出现准确率震荡或loss不再下降等情况，说明当前学习率已不能满足模型调优的需求，此时可以设计一个适当的学习率衰减策略来改善这种现象，提高精度。这种设置方式在PyTorch中被称为scheduler。

1. 使用官方scheduler

PyTorch在torch.optim.lr_scheduler封装好了一些动态调整学习率的方法，如：

• lr_scheduler.LambdaLR
• lr_scheduler.MultiplicativeLR
• lr_scheduler.StepLR
• lr_scheduler.MultiStepLR
• lr_scheduler.ExponentialLR
• lr_scheduler.CosineAnnealingLR
• lr_scheduler.ReduceLROnPlateau
• lr_scheduler.CyclicLR
• lr_scheduler.OneCycleLR
• lr_scheduler.CosineAnnealingWarmRestarts

使用方法如下：

# 选择一种优化器
optimizer = torch.optim.Adam(...) 
# 选择上面提到的一种或多种动态调整学习率的方法
scheduler1 = torch.optim.lr_scheduler.... 
scheduler2 = torch.optim.lr_scheduler....
...
schedulern = torch.optim.lr_scheduler....
# 进行训练
for epoch in range(100):
    train(...)
    validate(...)
    optimizer.step()
    # 需要在优化器参数更新之后再动态调整学习率
# scheduler的优化是在每一轮后面进行的
scheduler1.step() 
...
schedulern.step()

注意：在使用官方给出的torch.optim.lr_scheduler时，需要将scheduler.step()放在optimizer.step()后面进行使用

2. 自定义scheduler

通过自定义函数adjust_learning_rate来改变param_group中lr的值。
如自定义一个学习率每30轮下降为原来的1/10的scheduler：

def adjust_learning_rate(optimizer, epoch):
    lr = args.lr * (0.1 ** (epoch // 30))
    for param_group in optimizer.param_groups:
        param_group['lr'] = lr

有了adjust_learning_rate函数的定义，在训练的过程就可以调用它来实现学习率的动态变化：

def adjust_learning_rate(optimizer,...):
    ...
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(),lr = args.lr,momentum = 0.9)
for epoch in range(10):
    train(...)
    validate(...)
    adjust_learning_rate(optimizer,epoch)

三、模型微调

小型数据集去训练有几千万参数的大型神经网络是不现实的，想要训练大型的模型，需要：

• 收集大量的数据（成本太高）
  或
• 应用迁移学习(transfer learning)：将从源数据集学到的知识迁移到目标数据集上
  迁移学习的一大应用场景是模型微调(finetune)：先找到一个同类的别人训练好的模型，拿过来换成自己的数据，通过训练调整一下参数。

1. 模型微调 — torchvision

PyTorch中提供了许多预训练好的网络模型（VGG，ResNet系列等等），可以使用模型微调，快速用这些预训练模型完成自己的任务。

（1）模型微调流程

1. 在源数据集上预训练一个神经网络模型（即源模型）；
2. 创建一个新的神经网络模型，即目标模型。它复制了源模型上除了输出层外的所有模型设计及其参数。满足两个假设：
   （1）假设这些模型参数包含了源数据集上学习到的知识，且这些知识同样适用于目标数据集；
   （2）假设源模型的输出层跟源数据集的标签紧密相关，因此在目标模型中不予采用。
3. 为目标模型添加一个输出⼤小为⽬标数据集类别个数的输出层，并随机初始化该层的模型参数；
4. 在目标数据集上训练目标模型。从头训练输出层，而其余层的参数都是基于源模型的参数微调得到的。如图：
   

（2）使用已有的模型结构

以torchvision中的常见模型为例，如何在图像分类任务中使用PyTorch提供的常见模型结构和参数：

# 1. 实例化网络
import torchvision.models as models
resnet18 = models.resnet18()
# resnet18 = models.resnet18(pretrained=False)  等价于上面的表达式
alexnet = models.alexnet()
vgg16 = models.vgg16()
squeezenet = models.squeezenet1_0()
densenet = models.densenet161()
inception = models.inception_v3()
googlenet = models.googlenet()
shufflenet = models.shufflenet_v2_x1_0()
mobilenet_v2 = models.mobilenet_v2()
mobilenet_v3_large = models.mobilenet_v3_large()
mobilenet_v3_small = models.mobilenet_v3_small()
resnext50_32x4d = models.resnext50_32x4d()
wide_resnet50_2 = models.wide_resnet50_2()
mnasnet = models.mnasnet1_0()

# 2. 传递pretrained参数
# 通过True或者False来决定是否使用预训练好的权重，默认状态pretrained = False，不使用预训练得到的权重
# pretrained = True，使用在一些数据集上预训练得到的权重
import torchvision.models as models
resnet18 = models.resnet18(pretrained=True)
alexnet = models.alexnet(pretrained=True)
squeezenet = models.squeezenet1_0(pretrained=True)
vgg16 = models.vgg16(pretrained=True)
densenet = models.densenet161(pretrained=True)
inception = models.inception_v3(pretrained=True)
googlenet = models.googlenet(pretrained=True)
shufflenet = models.shufflenet_v2_x1_0(pretrained=True)
mobilenet_v2 = models.mobilenet_v2(pretrained=True)
mobilenet_v3_large = models.mobilenet_v3_large(pretrained=True)
mobilenet_v3_small = models.mobilenet_v3_small(pretrained=True)
resnext50_32x4d = models.resnext50_32x4d(pretrained=True)
wide_resnet50_2 = models.wide_resnet50_2(pretrained=True)
mnasnet = models.mnasnet1_0(pretrained=True)

注意：

1. 通常PyTorch模型的扩展为.pt或.pth，程序运行时会首先检查默认路径中是否有已经下载的模型权重，一旦权重被下载，下次加载就不需要下载了；
2. 一般情况下预训练模型的下载会比较慢，可以手动下载。预训练模型的权重在Linux和Mac的默认下载路径是用户根目录下的.cache文件夹。在Windows下就是C:\Users\\.cache\torch\hub\checkpoint，可以用 torch.utils.model_zoo.load_url()设置权重的下载地址；
3. 也可以将自己的权重下载下来放到同文件夹，然后再将参数加载网络：

self.model = models.resnet50(pretrained=False)
self.model.load_state_dict(torch.load('./model/resnet50-19c8e357.pth'))

4. 若中途下载失败，要先去对应路径下将权重文件删除干净再重新下载，否则可能会报错。

（3）修改预训练模型的方法 [4]

1）只修改输入输出的类别数

#1、只修改输入输出的类别数，即某些网络层的参数（常见的是修改通道数）
import torchvision.models
import torch.nn as nn
model = torchvision.models.resnet50(pretrained=True)
print("原输出通道数：", model.fc) # 原输出是1000通道
# 修改最后线性层的输出通道数
model.fc = nn.Linear(2048,10) # 改成了10通道
print("修改后的输出通道数：", model.fc)

结果如下：

2）替换整个backbone或预训练模型的某一部分

# 2、替换整个backbone或预训练模型的某一部分
# 以下是替换骨干网的示例
import torchvision
from torchvision.models.detection import FasterRCNN
from torchvision.models.detection.rpn import AnchorGenerator
 
# 先加载一个预训练模型的特征
# only the features:其实就是不包含最后的classifier的两层
backbone = torchvision.models.mobilenet_v2(pretrained=True).features
# 需要知道 backbone 的输出通道数，这样才能在替换时保证通道数的一致性
backbone.out_channels = 1280
 
# 设置RPN的anchor生成器，下面的anchor_generator可以在每个空间位置生成5x3的anchors，即5个不同尺寸×3个不同的比例
anchor_generator = AnchorGenerator(sizes=((32, 64, 128, 256, 512),),
                                   aspect_ratios=((0.5, 1.0, 2.0),))
 
# 定义roipool模块
roi_pooler = torchvision.ops.MultiScaleRoIAlign(featmap_names=[0],
                                                output_size=7,
                                                sampling_ratio=2)
 
# 将以上模块集成到FasterRCNN中
model = FasterRCNN(backbone,
                   num_classes=4,
                   rpn_anchor_generator=anchor_generator,
                   box_roi_pool=roi_pooler)

如下：

3）修改模型网络中间层的结构

（最重要，一般是重写部分中间层再整体替换）

# 3、修改网络中间层的结构（最重要，一般是重写部分中间层再整体替换）
# 以下是在ResNet50的基础上修改的，大部分是复制的源码，但后面新增+修改了一些层
class CNN(nn.Module):
 
    def __init__(self, block, layers, num_classes=9):
        self.inplanes = 64
        super(CNN, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=7, stride=2, padding=3,
                               bias=False)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(64)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.maxpool = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
        self.layer1 = self._make_layer(block, 64, layers[0])
        self.layer2 = self._make_layer(block, 128, layers[1], stride=2)
        self.layer3 = self._make_layer(block, 256, layers[2], stride=2)
        self.layer4 = self._make_layer(block, 512, layers[3], stride=2)
        self.avgpool = nn.AvgPool2d(7, stride=1)
        #新增一个反卷积层
        self.convtranspose1 = nn.ConvTranspose2d(2048, 2048, kernel_size=3, stride=1, padding=1, output_padding=0, groups=1, bias=False, dilation=1)
        #新增一个最大池化层
        self.maxpool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=1, padding=1)
        #去掉原来的fc层，新增一个fclass层
        self.fclass = nn.Linear(2048, num_classes)
 
        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv2d):
                n = m.kernel_size[0] * m.kernel_size[1] * m.out_channels
                m.weight.data.normal_(0, math.sqrt(2. / n))
            elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                m.weight.data.fill_(1)
                m.bias.data.zero_()
 
    def _make_layer(self, block, planes, blocks, stride=1):
        downsample = None
        if stride != 1 or self.inplanes != planes * block.expansion:
            downsample = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(self.inplanes, planes * block.expansion,
                          kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(planes * block.expansion),
            )
 
        layers = []
        layers.append(block(self.inplanes, planes, stride, downsample))
        self.inplanes = planes * block.expansion
        for i in range(1, blocks):
            layers.append(block(self.inplanes, planes))
 
        return nn.Sequential(*layers)
 
    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.bn1(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.maxpool(x)
 
        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        x = self.layer3(x)
        x = self.layer4(x)
 
        x = self.avgpool(x)
        #新加层的forward
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = self.convtranspose1(x)
        x = self.maxpool2(x)
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = self.fclass(x)
 
        return x
 
#加载model
resnet50 = torchvision.models.resnet50(pretrained=True)
cnn = CNN(Bottleneck, [3, 4, 6, 3])
#读取参数
pretrained_dict = resnet50.state_dict()
model_dict = cnn.state_dict()
# 将pretrained_dict里不属于model_dict的键剔除掉
pretrained_dict =  {k: v for k, v in pretrained_dict.items() if k in model_dict}
# 更新现有的model_dict
model_dict.update(pretrained_dict)
# 加载我们真正需要的state_dict
cnn.load_state_dict(model_dict)
# print(resnet50)
print(cnn)

4）快速去除预训练模型本身的网络层并添加新的层

# 4、快速去除预训练模型本身的网络层并添加新的层
# 先将模型的网络层列表化，每一层对应列表一个元素，bottleneck对应一个序列层
net_structure = list(model.children())
# print(net_structure)
#去除最后两层得到新的网络
resnet_modified = nn.Sequential(*net_structure[:-2])
 
#用以上方法构建新网络如下
class Net(nn.Module):
    def __init__(self , model):
        super(Net, self).__init__()
        # 取掉model的后两层
        self.resnet_layer = nn.Sequential(*list(model.children())[:-2])
        self.transion_layer = nn.ConvTranspose2d(2048, 2048, kernel_size=14, stride=3)
        self.pool_layer = nn.MaxPool2d(32)  
        self.Linear_layer = nn.Linear(2048, 8)
        
    def forward(self, x):
        x = self.resnet_layer(x)
        x = self.transion_layer(x)
        x = self.pool_layer(x)
        x = x.view(x.size(0), -1) 
        x = self.Linear_layer(x)
        return x

# 实例化
new_net = Net(model) # 这里model是上面2）中代码的model
print(new_net)

如下：

2. 模型微调 — timm

timm库也是一个常见的预训练模型库，里面提供了许多计算机视觉的SOTA模型，可以当作torchvision的扩充版本。这里主要讲timm库预训练模型的使用。

（1）timm库安装

pip install timm

（2）查看预训练模型种类

1. 查看timm提供的预训练模型

# jupyer notebook
# 可以通过timm.list_models()方法
import timm
avail_pretrained_models = timm.list_models(pretrained=True)
len(avail_pretrained_models)

截至今日，timm提供的模型有716个：

2. 查看特定模型的所有种类

# 查询 densenet 系列所有的模型
all_densnet_models = timm.list_models("*densenet*")
all_densnet_models

如下：

3. 查看模型的具体参数

# 通过访问模型的`default_cfg`属性来进行查看
model = timm.create_model('resnet34',num_classes=10,pretrained=True)
model.default_cfg

如下：

还可以查看模型的准确度信息

（3）使用和修改预训练模型

# timm.create_model()方法进行模型的创建
# 传入参数 pretrained=True 来使用预训练模型
import timm
import torch

model = timm.create_model('resnet34',pretrained=True)
x = torch.randn(1,3,224,224)
output = model(x)
output.shape

# 查看某一层的参数
model = timm.create_model('resnet34',pretrained=True)
list(dict(model.named_children())['conv1'].parameters()) # 查看第一层卷积层的参数

# 修改模型（将1000通道改为10通道输出）
model = timm.create_model('resnet34',num_classes=10,pretrained=True)
x = torch.randn(1,3,224,224)
output = model(x)
output.shape

# 改变输入通道数
# 传入的图片是单通道的，但是模型需要的是三通道图片
# 添加in_chans=1来改变模型
model = timm.create_model('resnet34',num_classes=10,pretrained=True,in_chans=1)
x = torch.randn(1,1,224,224)
output = model(x)

model # 查看模型, 可以发现模型被改成了1通道输入

（4）模型保存与加载

torch.save(model.state_dict(),'./checkpoint/timm_model.pth') # 保存
model.load_state_dict(torch.load('./checkpoint/timm_model.pth')) # 加载

四、半精度训练

GPU性能分为：算力和显存

• 算力：决定了显卡计算的速度
• 显存：决定了显卡可以同时放入多少数据用于计算

显存数量不变，载入数据更多，则训练速度也会加快，这时数据可使用半精度格式：

# 设置半精度的方式
from torch.cuda.amp import autocast # 载入autocast包

@autocast()   # 用autocast装饰forward函数
def forward(self, x):
    ...
    return x

for x in train_loader:
	x = x.cuda()
	with autocast(): # 将其他部分放入with autocast下面
            output = model(x)
        ...

注：数据本身size比较大的数据适用半精度训练

五、数据增强 — imgaug

• 针对有限数据问题，可以使用数据增强技术，提高数据集的大小和质量；
• 计算视觉领域的数据增强可以使用imgaug包。

1. imgaug安装

pip install imgaug

2. imgaug使用

• 用opencv读取图像文件，需要手动改变通道，将读取的BGR图像转换成RGB图像；
• PIL.Image进行读取时，读取的图片没有shape属性，需要将读取到的img转换为np.array()的形式再进行处理；
• imageio进行图片读取比较方便

（1）单张图片处理

import imageio
import imgaug as ia
%matplotlib inline

# 图片的读取
img = imageio.imread("./Lenna_original.png")

# 使用Image进行读取
# img = Image.open("./Lenna.jpg")
# image = np.array(img)
# ia.imshow(image)

# 可视化图片
ia.imshow(img)

运行时报错及解决方案：

原因是：python和numpy版本问题导致。我的环境中python==3.6，支持的numpy最高版本是1.19；而numpy.typing出现在numpy>=1.20的版本中，需要升级python>=3.7，然后更新numpy>=1.20。

解决问题后，运行结果如下：

读取数据后，可以做一些操作：
1）对图片做一种操作

from imgaug import augmenters as iaa

# 设置随机数种子
ia.seed(4) # 让每次运行此代码旋转结果都一样

# 实例化方法
rotate = iaa.Affine(rotate=(-4,45)) # -4至45度之间的旋转操作
img_aug = rotate(image=img) # 处理后是numpy数组格式
ia.imshow(img_aug)

2）对图片进行多种操作

iaa.Sequential(children=None, # 想要应用在图像上的Augmenter集合
               random_order=False, # 是否对每个batch使用不同顺序的Augmenter list，设置为True时，不同batch之间图片的处理顺序都会不一样，但是同一个batch内顺序相同
               name=None,
               deterministic=False, # bool类型, 默认False
               random_state=None)
# 构建处理序列
aug_seq = iaa.Sequential([
    iaa.Affine(rotate=(-25,25)),
    iaa.AdditiveGaussianNoise(scale=(10,60)), # scale噪声方差
    iaa.Crop(percent=(0,0.2)) # 0到20%的数值
])
# 对图片进行处理，image不可以省略，也不能写成images
image_aug = aug_seq(image=img)
ia.imshow(image_aug)

结果如下：

注 [5]：

• iaa.Affine：

iaa.Affine(
        scale={"x": (0.8, 1.2), "y": (0.8, 1.2)},
        translate_percent={"x": (-0.2, 0.2), "y": (-0.2, 0.2)},
        rotate=(-25, 25),
        shear=(-8, 8))

对图片进行仿射变化，缩放x,y取值范围均为0.8-1.2之间随机值，左右上下移动的值为-0.2-0.2乘以宽高后的随机值，旋转角度为-25到25的随机值，shear剪切（取值范围是0-360），这里-8到8随机值进行图片剪切

• iaa.AdditiveGaussianNoise：

iaa.AdditiveGaussianNoise(loc=0, scale=(0.0, 0.3*255), per_channel=0.5)
# loc 噪声均值，scale噪声方差，50%的概率对图片进行添加白噪声并应用于每个通道

• iaa.Crop：

iaa.Crop(percent=(0, 0.3),keep_size=True)
# 0-0.3的数值，分别乘以图片的宽和高为剪裁的像素个数，保持原尺寸

（2）批次图片处理

images = [img,img,img,img,] # 将待处理图片放在一个list中
images_aug = rotate(images=images) # 将image改成images，这里只进行仿射变换
ia.imshow(np.hstack(images_aug))

结果如下：

# 对批次的图片使用多种增强方法
aug_seq = iaa.Sequential([
    iaa.Affine(rotate=(-25, 25)),
    iaa.AdditiveGaussianNoise(scale=(10, 60)),
    iaa.Crop(percent=(0, 0.2))
]) # 同样借助Sequential函数

# 传入时需要指明是images参数
images_aug = aug_seq.augment_images(images = images)
ia.imshow(np.hstack(images_aug))

# 对一个batch中的图片，一部分图片应用一部分Augmenters，剩下的图片应用另外的Augmenters。
iaa.Sometimes(p=0.5,  # 代表划分比例
              then_list=None,  # 以p的概率执行then_list的增强方法，默认为None
              else_list=None,  # 以1-p的概率执行else_list的增强方法，默认为None
              # 变换的图片应用的Augmenter只能是then_list或者else_list中的一个
              name=None,
              deterministic=False,
              random_state=None)

（3）不同大小的图片的处理

# 构建pipline
seq = iaa.Sequential([
    iaa.CropAndPad(percent=(-0.2, 0.2), pad_mode="edge"),  # crop and pad images
    iaa.AddToHueAndSaturation((-60, 60)),  # change their color
    iaa.ElasticTransformation(alpha=90, sigma=9),  # water-like effect
    iaa.Cutout()  # replace one squared area within the image by a constant intensity value
], random_order=True)

# 加载不同大小的图片
images_different_sizes = [
    imageio.imread("https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/BRACHYLAGUS_IDAHOENSIS.jpg"),
    imageio.imread("https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c9/Southern_swamp_rabbit_baby.jpg"),
    imageio.imread("https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9f/Lower_Keys_marsh_rabbit.jpg")
]

# 对图片进行增强
images_aug = seq(images=images_different_sizes) # images

# 可视化结果
print("Image 0 (input shape: %s, output shape: %s)" % (images_different_sizes[0].shape, images_aug[0].shape)) # 尺寸
ia.imshow(np.hstack([images_different_sizes[0], images_aug[0]])) # 原图及做过图像增强后的图

print("Image 1 (input shape: %s, output shape: %s)" % (images_different_sizes[1].shape, images_aug[1].shape))
ia.imshow(np.hstack([images_different_sizes[1], images_aug[1]]))

print("Image 2 (input shape: %s, output shape: %s)" % (images_different_sizes[2].shape, images_aug[2].shape))
ia.imshow(np.hstack([images_different_sizes[2], images_aug[2]]))

结果如下：

3. imgaug在PyTorch中的应用

# 一种应用模板
import numpy as np
from imgaug import augmenters as iaa
from torch.utils.data import DataLoader, Dataset
from torchvision import transforms

# 构建pipline
tfs = transforms.Compose([
    iaa.Sequential([
        iaa.flip.Fliplr(p=0.5), # 水平0.5的概率翻转
        iaa.flip.Flipud(p=0.5), # 垂直0.5的概率翻转
        iaa.GaussianBlur(sigma=(0.0, 0.1)), # 高斯扰动 0：不扰动；3：强扰动
        iaa.MultiplyBrightness(mul=(0.65, 1.35)),
    ]).augment_image,
    # 不要忘记了使用ToTensor()
    transforms.ToTensor()
])

# 自定义数据集
class CustomDataset(Dataset):
    def __init__(self, n_images, n_classes, transform=None):
		# 图片的读取，建议使用imageio
        self.images = np.random.randint(0, 255,
                                        (n_images, 224, 224, 3),
                                        dtype=np.uint8)
        self.targets = np.random.randn(n_images, n_classes)
        self.transform = transform

    def __getitem__(self, item):
        image = self.images[item]
        target = self.targets[item]

        if self.transform:
            image = self.transform(image)

        return image, target

    def __len__(self):
        return len(self.images)


def worker_init_fn(worker_id): # 保证了在num_workers>0时对数据的增强是随机的
# Linux系统下num_workers可以设置大于0
    imgaug.seed(np.random.get_state()[1][0] + worker_id)


custom_ds = CustomDataset(n_images=50, n_classes=10, transform=tfs)
custom_dl = DataLoader(custom_ds, batch_size=64,
                       num_workers=4, pin_memory=True, 
                       worker_init_fn=worker_init_fn)

注：其他数据增强库：链接: Albumentations，Augmentor等

六、使用 argparse 进行调参

1. argparse简介

• Python内置标准库
• 将命令行传入的参数进行解析、保存和使用
• 在机器学习中超参数设置形式：先运行python file.py文件，再设置python file.py --lr 1e-4 --batch_size 32即可

2. argparse使用

步骤如下：
（1）创建ArgumentParser()对象
（2）调用add_argument()方法添加参数
（3）使用parse_args()解析参数

# demo.py
import argparse

# 创建ArgumentParser()对象
parser = argparse.ArgumentParser()

# 添加参数
parser.add_argument('-o', '--output', action='store_true', 
    help="shows output")
# action = `store_true` 会将output参数记录为True
# type 规定了参数的格式
# default 规定了默认值
parser.add_argument('--lr', type=float, default=3e-5, help='select the learning rate, default=1e-3') 

parser.add_argument('--batch_size', type=int, required=True, help='input batch size')  
# 使用parse_args()解析函数
args = parser.parse_args()

if args.output:
    print("This is some output")
    print(f"learning rate:{args.lr} ")

终端首先进入demo.py文件所在文件夹：

cd ~/PycharmProjects/pytorch_learning

然后输入：

python demo.py -h

可以看到运行的结果如下：

根据上方输入格式要求，输入lr及batch_size的值并得到输出：

python demo.py --lr 3e-4 --batch_size 32 -o

得到结果如下：

注：也可以不使用“–”格式输入参数，只输入数值即可，但是那样会严格按照参数位置进行解析。

3. 更加高效使用argparse修改超参数

将超参数单独写在一个文件（如“config.py”）中，在其他文件导入（”import config"）即可。

七、PyTorch模型定义与进阶训练技巧

结合U-Net模型对（三）和（四）所学的内容进行实战。
放在另一个文件里了，链接: PyTorch模型定义与进阶训练技巧实战部分

[1] datawhalechina/thorough-pytorch: https://github.com/datawhalechina/thorough-pytorch
[2] 从loss处理图像分割中类别极度不均衡的状况—keras: https://blog.csdn.net/m0_37477175/article/details/83004746
[3] 一文看懂学习率Learning Rate，从入门到CLR：https://blog.csdn.net/u012526436/article/details/90486021
[4] Pytorch修改预训练模型的方法汇总: https://blog.csdn.net/weixin_42118374/article/details/103761795
[5] 图片数据增强库（imgaug）的标准用法：https://blog.csdn.net/zh_JNU/article/details/85102982