PyTorch图像分类从模型自定义到测试

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01.什么是 Pytorch

一句话总结 Pytorch = Python + Torch。

Torch 是纽约大学的一个机器学习开源框架，几年前在学术界非常流行，包括 Lecun等大佬都在使用。但是由于使用的是一种绝大部分人绝对没有听过的 Lua 语言，导致很多人都被吓退。后来随着 Python 的生态越来越完善，Facebook 人工智能研究院推出了Pytorch并开源。Pytorch不是简单的封装 Torch并提供Python接口，而是对Tensor以上的所有代码进行了重构，同TensorFlow一样，增加了自动求导。

后来Caffe2全部并入Pytorch，如今已经成为了非常流行的框架。很多最新的研究如风格化、GAN 等大多数采用Pytorch源码，这也是我们必须要讲解它的原因。

1.1 特点

（1）动态图计算。TensorFlow从静态图发展到了动态图机制Eager Execution，pytorch则一开始就是动态图机制。动态图机制的好处就是随时随地修改，随处debug，没有类似编译的过程。

（2）简单。相比TensorFlow中Tensor、Variable、Session等概念充斥，数据读取接口频繁更新，tf.nn、tf.layers、tf.contrib各自重复，Pytorch则是从Tensor到Variable再到nn.Module，最新的Pytorch已经将Tensor和Variable合并，这分别就是从数据张量到网络的抽象层次的递进。有人调侃TensorFlow的设计是“make it complicated”，那么 Pytorch的设计就是“keep it simple”。

1.2 重要概念

（1）Tensor/Variable

每一个框架都有基本的数据结构，Caffe是blob，TensorFlow和Pytorch都是Tensor，都是高维数组。Pytorch中的Tensor使用与Numpy的数组非常相似，两者可以互转且共享内存。

tensor包括cpu和gpu两种类型，如torch.FloatTensortorch.cuda.FloatTensorvirable，就分别表示cpu和gpu下的32位浮点数。

tensor包含一些属性。data，即Tensor内容；Grad，是与data对应的梯度；requires_grad，是否容许进行反向传播的学习，更多的可以去查看API。

（2）nn.module

抽象好的网络数据结构，可以表示为网络的一层，也可以表示为一个网络结构，这是一个基类。在实际使用过程中，经常会定义自己的网络，并继承nn.Module。具体的使用，我们看下面的网络定义吧。

（3）torchvision包，包含了目前流行的数据集，模型结构和常用的图片转换工具

02.Pytorch 训练

安装咱们就不说了，接下来的任务就是开始训练模型。训练模型包括数据准备、模型定义、结果保存与分析。

2.1 数据读取

前面已经介绍了Caffe和TensorFlow的数据读取，两者的输入都是图片list，但是读取操作过程差异非常大，Pytorch与这两个又有很大的差异。这一次，直接利用文件夹作为输入，这是 Pytorch更加方便的做法。数据读取的完整代码如下：

data_dir = '../../../../datas/head/'    
   data_transforms = {
       'train': transforms.Compose([
           transforms.RandomSizedCrop(48),
           transforms.RandomHorizontalFlip(),
           transforms.ToTensor(),
           transforms.Normalize([0.5,0.5,0.5], [0.5,0.5,0.5])
       ]),
       'val': transforms.Compose([
           transforms.Scale(64),
           transforms.CenterCrop(48),
           transforms.ToTensor(),
           transforms.Normalize([0.5,0.5,0.5], [0.5,0.5,0.5])
       ]),
   }
   image_datasets = {x: datasets.ImageFolder(os.path.join(data_dir, x),
                                             data_transforms[x]) for x in ['train', 'val']}
   dataloders = {x: torch.utils.data.DataLoader(image_datasets[x],
                                                batch_size=16,
                                                shuffle=True,
                                                num_workers=4) for x in ['train', 'val']}

下面一个一个解释，完整代码请移步 Git 工程。

（1）datasets.ImageFolder

Pytorch的torchvision模块中提供了一个dataset 包，它包含了一些基本的数据集如mnist、coco、imagenet和一个通用的数据加载器ImageFolder。

它会以这样的形式组织数据，具体的请到Git工程中查看。

root/left/1.png
root/left/2.png
root/left/3.png

root/right/1.png
root/right/2.png
root/right/3.png

imagefolder有3个成员变量。

self.classes：用一个list保存类名，就是文件夹的名字。

self.class_to_idx：类名对应的索引，可以理解为 0、1、2、3 等。

self.imgs：保存（imgpath，class），是图片和类别的数组。

不同文件夹下的图，会被当作不同的类，天生就用于图像分类任务。

（2）Transforms

这一点跟Caffe非常类似，就是定义了一系列数据集的预处理和增强操作。到此，数据接口就定义完毕了，接下来在训练代码中看如何使用迭代器进行数据读取就可以了，包括 scale、减均值等。

（3）torch.utils.data.DataLoader

这就是创建了一个 batch，生成真正网络的输入。关于更多 Pytorch 的数据读取方法，请自行学习。

2.2 模型定义

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import numpy as np
class simpleconv3(nn.Module):`
def __init__(self):
       super(simpleconv3,self).__init__()
       self.conv1 = nn.Conv2d(3, 12, 3, 2)
       self.bn1 = nn.BatchNorm2d(12)
       self.conv2 = nn.Conv2d(12, 24, 3, 2)
       self.bn2 = nn.BatchNorm2d(24)
       self.conv3 = nn.Conv2d(24, 48, 3, 2)
       self.bn3 = nn.BatchNorm2d(48)
       self.fc1 = nn.Linear(48 * 5 * 5 , 1200)
       self.fc2 = nn.Linear(1200 , 128)
       self.fc3 = nn.Linear(128 , 2)
def forward(self , x):
       x = F.relu(self.bn1(self.conv1(x)))
       x = F.relu(self.bn3(self.conv3(x)))
       x = x.view(-1 , 48 * 5 * 5) 
       x = F.relu(self.fc1(x))
       x = F.relu(self.fc2(x))
       x = self.fc3(x)
       return x

我们的例子都是采用一个简单的3层卷积 + 2层全连接层的网络结构。根据上面的网络结构的定义，需要做以下事情。

（1）simpleconv3(nn.Module)

继承nn.Module，前面已经说过，Pytorch的网络层是包含在nn.Module 里，所以所有的网络定义，都需要继承该网络层，并实现super方法，如下：

super(simpleconv3,self).__init__()

这个就当作一个标准执行就可以了。

（2）网络结构的定义都在nn包里，举例说明：

torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0, dilation=1, groups=1, bias=True)

完整的接口如上，定义的第一个卷积层如下：

nn.Conv2d(3, 12, 3, 2)

即输入通道为3，输出通道为12，卷积核大小为3，stride=2，其他的层就不一一介绍了，大家可以自己去看nn的API。

（3）forward

backward方法不需要自己实现，但是forward函数是必须要自己实现的，从上面可以看出，forward 函数也是非常简单，串接各个网络层就可以了。

对比Caffe和TensorFlow可以看出，Pytorch的网络定义更加简单，初始化方法都没有显示出现，因为 Pytorch已经提供了默认初始化。

如果我们想实现自己的初始化，可以这么做：

init.xavier_uniform(self.conv1.weight)init.constant(self.conv1.bias, 0.1)

它会对conv1的权重和偏置进行初始化。如果要对所有conv层使用 xavier 初始化呢？可以定义一个函数：

def weights_init(m):    
   if isinstance(m, nn.Conv2d):
       xavier(m.weight.data)
       xavier(m.bias.data)  
   net = Net()   
   net.apply(weights_init)

03.模型训练

网络定义和数据加载都定义好之后，就可以进行训练了，老规矩先上代码：

def train_model(model, criterion, optimizer, scheduler, num_epochs=25):
       for epoch in range(num_epochs):
           print('Epoch {}/{}'.format(epoch, num_epochs - 1))
           for phase in ['train', 'val']:
               if phase == 'train':
                   scheduler.step()
                   model.train(True)  
               else:
                   model.train(False)  
                   running_loss = 0.0                running_corrects = 0.0
               for data in dataloders[phase]:
                   inputs, labels = data
                   if use_gpu:
                       inputs = Variable(inputs.cuda())
                       labels = Variable(labels.cuda())
                   else:
                       inputs, labels = Variable(inputs), Variable(labels)

                   optimizer.zero_grad()
                   outputs = model(inputs)
                   _, preds = torch.max(outputs.data, 1)
                   loss = criterion(outputs, labels)
                   if phase == 'train':
                       loss.backward()
                       optimizer.step()

                   running_loss += loss.data.item()
                   running_corrects += torch.sum(preds == labels).item()

               epoch_loss = running_loss / dataset_sizes[phase]
               epoch_acc = running_corrects / dataset_sizes[phase]

               if phase == 'train':
                   writer.add_scalar('data/trainloss', epoch_loss, epoch)
                   writer.add_scalar('data/trainacc', epoch_acc, epoch)
               else:
                   writer.add_scalar('data/valloss', epoch_loss, epoch)
                   writer.add_scalar('data/valacc', epoch_acc, epoch)

               print('{} Loss: {:.4f} Acc: {:.4f}'.format(
               phase, epoch_loss, epoch_acc))
       writer.export_scalars_to_json("./all_scalars.json")
       writer.close()
       return model

分析一下上面的代码，外层循环是epoches，然后利用 for data in dataloders[phase] 循环取一个epoch 的数据，并塞入variable，送入model。需要注意的是，每一次forward要将梯度清零，即optimizer.zero_grad()，因为梯度会记录前一次的状态，然后计算loss进行反向传播。

loss.backward()
optimizer.step()

下面可以分别得到预测结果和loss，每一次epoch 完成计算。

epoch_loss = running_loss / dataset_sizes[phase]
epoch_acc = running_corrects / dataset_sizes[phase]
_, preds = torch.max(outputs.data, 1)
loss = criterion(outputs, labels)

可视化是非常重要的，鉴于TensorFlow的可视化非常方便，我们选择了一个开源工具包，tensorboardx，安装方法为pip install tensorboardx，使用非常简单。

第一步，引入包定义创建：

from tensorboardX import SummaryWriter
writer = SummaryWriter()

第二步，记录变量，如train阶段的 loss，writer.add_scalar('data/trainloss', epoch_loss, epoch)。

按照以上操作就完成了，完整代码可以看配套的Git 项目，我们看看训练中的记录。Loss和acc的曲线图如下：

网络的收敛没有Caffe和TensorFlow好，大家可以自己去调试调试参数了，随便折腾吧。

04.Pytorch 测试

上面已经训练好了模型，接下来的目标就是要用它来做inference了，同样给出代码。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.optim import lr_scheduler
from torch.autograd import Variable
import torchvision
from torchvision import datasets, models, transforms
import time
import os
from PIL import Image
import sys
import torch.nn.functional as F

from net import simpleconv3
data_transforms =  transforms.Compose([
               transforms.Resize(48),
               transforms.ToTensor(),
               transforms.Normalize([0.5,0.5,0.5], [0.5,0.5,0.5])])

net = simpleconv3()
modelpath = sys.argv[1]
net.load_state_dict(torch.load(modelpath,map_location=lambda storage,loc: storage))

imagepath = sys.argv[2]
image = Image.open(imagepath)
imgblob = data_transforms(image).unsqueeze(0)
imgblob = Variable(imgblob)
torch.no_grad()
predict = F.softmax(net(imgblob))
print(predict)

从上面的代码可知，做了几件事：

定义网络并使用torch.load和load_state_dict载入模型。

用PIL的Image包读取图片，这里没有用OpenCV，因为Pytorch默认的图片读取工具就是PIL的Image，它会将图片按照RGB的格式，归一化到 0～1 之间。读取图片之后，必须转化为Tensor变量。

evaluation的时候，必须设置torch.no_grad()，然后就可以调用 softmax 函数得到结果了。

05.总结

本节讲了如何用 Pytorch 完成一个分类任务，并学习了可视化以及使用训练好的模型做测试。

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