迁移学习教程

作者: Sasank Chilamkurthy

这个教程将教你如何使用迁移学习训练你的网络. 你可以在 cs231n 笔记 中 阅读更多有关迁移学习的信息.

引用自该笔记,

事实上, 很少有人从头(随机初始化)开始训练一个卷积网络, 因为拥有一个足够大的数据库是比较少见的. 替代的是, 通常会从一个大的数据集(例如 ImageNet, 包含120万的图片和1000个分类)预训练一个卷积网络, 然后将这个卷积网络作为初始化的网络, 或者是感兴趣任务的固定的特征提取器.

如下是两种主要的迁移学习的使用场景:

  • 微调卷积网络: 取代随机初始化网络, 我们从一个预训练的网络初始化, 比如从 imagenet 1000 数据集预训练的网络. 其余的训练就像往常一样.
  • 卷积网络作为固定的特征提取器: 在这里, 我们固定网络中的所有权重, 最后的全连接层除外. 最后的全连接层被新的随机权重替换, 并且, 只有这一层是被训练的.
# License: BSD
# Author: Sasank Chilamkurthy

from __future__ import print_function, division

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.optim import lr_scheduler
from torch.autograd import Variable
import numpy as np
import torchvision
from torchvision import datasets, models, transforms
import matplotlib.pyplot as plt
import time
import os
import copy

plt.ion()   # interactive mode

加载数据

我们用 torchvision 和 torch.utils.data 包加载数据.

我们今天要解决的问题是, 训练一个可以区分 ants (蚂蚁) 和 bees (蜜蜂) 的模型. 用于训练的 ants 和 bees 图片各120张. 每一类用于验证的图片各75张. 通常, 如果从头开始训练, 这个非常小的数据集不足以进行泛化. 但是, 因为我们使用迁移学习, 应该可以取得很好的泛化效果.

这个数据集是一个非常小的 imagenet 子集

Note

从`这里 <https://download.pytorch.org/tutorial/hymenoptera_data.zip>`_ 下载数据, 然后解压到当前目录.

# 训练要做数据增强和数据标准化
# 验证只做数据标准化
data_transforms = {
    'train': transforms.Compose([
        transforms.RandomSizedCrop(224),
        transforms.RandomHorizontalFlip(),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
    ]),
    'val': transforms.Compose([
        transforms.Scale(256),
        transforms.CenterCrop(224),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
    ]),
}

data_dir = 'hymenoptera_data'
image_datasets = {x: datasets.ImageFolder(os.path.join(data_dir, x),
                                          data_transforms[x])
                  for x in ['train', 'val']}
dataloaders = {x: torch.utils.data.DataLoader(image_datasets[x], batch_size=4,
                                             shuffle=True, num_workers=4)
              for x in ['train', 'val']}
dataset_sizes = {x: len(image_datasets[x]) for x in ['train', 'val']}
class_names = image_datasets['train'].classes

use_gpu = torch.cuda.is_available()

显示一些图片

让我们显示一些训练中的图片, 以便了解数据增强.

def imshow(inp, title=None):
    """Imshow for Tensor."""
    inp = inp.numpy().transpose((1, 2, 0))
    mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
    std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
    inp = std * inp + mean
    inp = np.clip(inp, 0, 1)
    plt.imshow(inp)
    if title is not None:
        plt.title(title)
    plt.pause(0.001)  # 暂停一会, 让 plots 更新


# 获得一批训练数据
inputs, classes = next(iter(dataloaders['train']))

# 从这批数据生成一个方格
out = torchvision.utils.make_grid(inputs)

imshow(out, title=[class_names[x] for x in classes])

训练模型

现在, 让我们写一个通用的函数来训练模型. 这里, 我们将会举例说明:

  • 调度学习率
  • 保存最佳的学习模型

下面函数中, scheduler 参数是 torch.optim.lr_scheduler 中的 LR scheduler 对象.

def train_model(model, criterion, optimizer, scheduler, num_epochs=25):
    since = time.time()

    best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())
    best_acc = 0.0

    for epoch in range(num_epochs):
        print('Epoch {}/{}'.format(epoch, num_epochs - 1))
        print('-' * 10)

        # 每一个迭代都有训练和验证阶段
        for phase in ['train', 'val']:
            if phase == 'train':
                scheduler.step()
                model.train(True)  # 设置 model 为训练 (training) 模式
            else:
                model.train(False)  # 设置 model 为评估 (evaluate) 模式

            running_loss = 0.0
            running_corrects = 0

            # 遍历数据
            for data in dataloaders[phase]:
                # 获取输入
                inputs, labels = data

                # 用 Variable 包装输入数据
                if use_gpu:
                    inputs = Variable(inputs.cuda())
                    labels = Variable(labels.cuda())
                else:
                    inputs, labels = Variable(inputs), Variable(labels)

                # 设置梯度参数为 0
                optimizer.zero_grad()

                # 正向传递
                outputs = model(inputs)
                _, preds = torch.max(outputs.data, 1)
                loss = criterion(outputs, labels)

                # 如果是训练阶段, 向后传递和优化
                if phase == 'train':
                    loss.backward()
                    optimizer.step()

                # 统计
                running_loss += loss.data[0] * inputs.size(0)
                running_corrects += torch.sum(preds == labels.data)

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

            print('{} Loss: {:.4f} Acc: {:.4f}'.format(
                phase, epoch_loss, epoch_acc))

            # 深拷贝 model
            if phase == 'val' and epoch_acc > best_acc:
                best_acc = epoch_acc
                best_model_wts = copy.deepcopy(model.state_dict())

        print()

    time_elapsed = time.time() - since
    print('Training complete in {:.0f}m {:.0f}s'.format(
        time_elapsed // 60, time_elapsed % 60))
    print('Best val Acc: {:4f}'.format(best_acc))

    # 加载最佳模型的权重
    model.load_state_dict(best_model_wts)
    return model

显示模型的预测结果

写一个处理少量图片, 并显示预测结果的通用函数

def visualize_model(model, num_images=6):
    images_so_far = 0
    fig = plt.figure()

    for i, data in enumerate(dataloaders['val']):
        inputs, labels = data
        if use_gpu:
            inputs, labels = Variable(inputs.cuda()), Variable(labels.cuda())
        else:
            inputs, labels = Variable(inputs), Variable(labels)

        outputs = model(inputs)
        _, preds = torch.max(outputs.data, 1)

        for j in range(inputs.size()[0]):
            images_so_far += 1
            ax = plt.subplot(num_images//2, 2, images_so_far)
            ax.axis('off')
            ax.set_title('predicted: {}'.format(class_names[preds[j]]))
            imshow(inputs.cpu().data[j])

            if images_so_far == num_images:
                return

调整卷积网络

加载一个预训练的网络, 并重置最后一个全连接层.

model_ft = models.resnet18(pretrained=True)
num_ftrs = model_ft.fc.in_features
model_ft.fc = nn.Linear(num_ftrs, 2)

if use_gpu:
    model_ft = model_ft.cuda()

criterion = nn.CrossEntropyLoss()

# 如你所见, 所有参数都将被优化
optimizer_ft = optim.SGD(model_ft.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

# 每 7 个迭代, 让 LR 衰减 0.1 因素
exp_lr_scheduler = lr_scheduler.StepLR(optimizer_ft, step_size=7, gamma=0.1)

训练和评估

如果使用 CPU, 这将花费 15-25 分钟. 但使用 GPU 的话, 需要的时间将少于1分钟.

model_ft = train_model(model_ft, criterion, optimizer_ft, exp_lr_scheduler,
                       num_epochs=25)
visualize_model(model_ft)

卷积网络作为固定的特征提取器

这里, 我们固定网络中除最后一层外的所有权重. 为了固定这些参数, 我们需要设置 requires_grad == False , 然后在 backward() 中就不会计算梯度.

你可以在 这里 阅读更多相关信息.

model_conv = torchvision.models.resnet18(pretrained=True)
for param in model_conv.parameters():
    param.requires_grad = False

# 新构建的 module 的参数中, 默认设置了 requires_grad=True.
num_ftrs = model_conv.fc.in_features
model_conv.fc = nn.Linear(num_ftrs, 2)

if use_gpu:
    model_conv = model_conv.cuda()

criterion = nn.CrossEntropyLoss()

# 如你所见, 和我们前面提出的一样, 只有最后一层的参数被优化.
optimizer_conv = optim.SGD(model_conv.fc.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

# 每 7 个迭代, 让 LR 衰减 0.1 因素
exp_lr_scheduler = lr_scheduler.StepLR(optimizer_conv, step_size=7, gamma=0.1)

训练和评估

在使用 CPU 的情况下, 和前一个方案相比, 这将花费的时间是它的一半. 期望中, 网络的大部分是不需要计算梯度的. 前向传递依然要计算梯度.

model_conv = train_model(model_conv, criterion, optimizer_conv,
                         exp_lr_scheduler, num_epochs=25)
visualize_model(model_conv)

plt.ioff()
plt.show()

Total running time of the script: ( 0 minutes 0.000 seconds)

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