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MobileVIT实战：使用MobileVIT实现图像分类

2022-08-03 16:17:00 【华为云】

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MobileVIT实战

本文使用的代码来自：https://gitcode.net/mirrors/rwightman/pytorch-image-models，也就是大名鼎鼎的timm。

目前，Transformer已经霸榜计算机视觉各种任务，但是缺点也很明显就是参数量太大无法用在移动设备，为了解决这个问题，Apple的科学家们将CNN和VIT的优势结合起来，提出了一个轻量级的视觉网络模型mobileViT。

根据论文中给出的Top-1成绩的对比结果，我们可以得出，xs模型参数量比经典的MobileNetV3小，但是精度却提高了7.4%,标准的S模型比ResNet-101，还高一些，但是参数量也只有ResNet-101的九分之一。这样的成绩可谓逆天了！

本文从实战的角度出发，带领大家感受一下mobileViT，我们还是使用以前的植物分类数据集，模型采用MobileViT-S。

安装timm

安装timm，使用pip就行，命令：

pip install timm

安装完成之后，才发现没有MobileViT，我以为是晚上太晚了，眼睛不好使了。后来才发现，pip安装的最新版本只有0.54，但是官方最新的版本是0.61，所以只能换种方式安装了。

登录到官方的GitHub，mirrors / rwightman / pytorch-image-models · GitCode，将其下载到本地，然后执行命令：

python setup.py install

安装完成后就可以找到mobileViT了。

建议使用timm，因为timm有预训练，这样可以加快训练速度。

数据增强Cutout和Mixup

为了提高成绩我在代码中加入Cutout和Mixup这两种增强方式。实现这两种增强需要安装torchtoolbox。安装命令：

pip install torchtoolbox

Cutout实现，在transforms中。

from torchtoolbox.transform import Cutout# 数据预处理transform = transforms.Compose([    transforms.Resize((224, 224)),    Cutout(),    transforms.ToTensor(),    transforms.Normalize([0.5, 0.5, 0.5], [0.5, 0.5, 0.5])])

需要导入包：from timm.data.mixup import Mixup，

定义Mixup，和SoftTargetCrossEntropy

  mixup_fn = Mixup(    mixup_alpha=0.8, cutmix_alpha=1.0, cutmix_minmax=None,    prob=0.1, switch_prob=0.5, mode='batch',    label_smoothing=0.1, num_classes=12)     criterion_train = SoftTargetCrossEntropy()

项目结构

MobileVIT_demo├─data│  ├─Black-grass│  ├─Charlock│  ├─Cleavers│  ├─Common Chickweed│  ├─Common wheat│  ├─Fat Hen│  ├─Loose Silky-bent│  ├─Maize│  ├─Scentless Mayweed│  ├─Shepherds Purse│  ├─Small-flowered Cranesbill│  └─Sugar beet├─mean_std.py├─makedata.py├─train.py└─test.py

mean_std.py：计算mean和std的值。

makedata.py：生成数据集。

计算mean和std

为了使模型更加快速的收敛，我们需要计算出mean和std的值，新建mean_std.py,插入代码：

from torchvision.datasets import ImageFolderimport torchfrom torchvision import transformsdef get_mean_and_std(train_data):    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(        train_data, batch_size=1, shuffle=False, num_workers=0,        pin_memory=True)    mean = torch.zeros(3)    std = torch.zeros(3)    for X, _ in train_loader:        for d in range(3):            mean[d] += X[:, d, :, :].mean()            std[d] += X[:, d, :, :].std()    mean.div_(len(train_data))    std.div_(len(train_data))    return list(mean.numpy()), list(std.numpy())if __name__ == '__main__':    train_dataset = ImageFolder(root=r'data1', transform=transforms.ToTensor())    print(get_mean_and_std(train_dataset))

数据集结构：

运行结果：

([0.3281186, 0.28937867, 0.20702125], [0.09407319, 0.09732835, 0.106712654])

把这个结果记录下来，后面要用！

生成数据集

我们整理还的图像分类的数据集结构是这样的

data├─Black-grass├─Charlock├─Cleavers├─Common Chickweed├─Common wheat├─Fat Hen├─Loose Silky-bent├─Maize├─Scentless Mayweed├─Shepherds Purse├─Small-flowered Cranesbill└─Sugar beet

pytorch和keras默认加载方式是ImageNet数据集格式，格式是

├─data│  ├─val│  │   ├─Black-grass│  │   ├─Charlock│  │   ├─Cleavers│  │   ├─Common Chickweed│  │   ├─Common wheat│  │   ├─Fat Hen│  │   ├─Loose Silky-bent│  │   ├─Maize│  │   ├─Scentless Mayweed│  │   ├─Shepherds Purse│  │   ├─Small-flowered Cranesbill│  │   └─Sugar beet│  └─train│      ├─Black-grass│      ├─Charlock│      ├─Cleavers│      ├─Common Chickweed│      ├─Common wheat│      ├─Fat Hen│      ├─Loose Silky-bent│      ├─Maize│      ├─Scentless Mayweed│      ├─Shepherds Purse│      ├─Small-flowered Cranesbill│      └─Sugar beet

新增格式转化脚本makedata.py,插入代码：

import globimport osimport shutilimage_list=glob.glob('data1/*/*.png')print(image_list)file_dir='data'if os.path.exists(file_dir):    print('true')    #os.rmdir(file_dir)    shutil.rmtree(file_dir)#删除再建立    os.makedirs(file_dir)else:    os.makedirs(file_dir)from sklearn.model_selection import train_test_splittrainval_files, val_files = train_test_split(image_list, test_size=0.3, random_state=42)train_dir='train'val_dir='val'train_root=os.path.join(file_dir,train_dir)val_root=os.path.join(file_dir,val_dir)for file in trainval_files:    file_class=file.replace("\\","/").split('/')[-2]    file_name=file.replace("\\","/").split('/')[-1]    file_class=os.path.join(train_root,file_class)    if not os.path.isdir(file_class):        os.makedirs(file_class)    shutil.copy(file, file_class + '/' + file_name)for file in val_files:    file_class=file.replace("\\","/").split('/')[-2]    file_name=file.replace("\\","/").split('/')[-1]    file_class=os.path.join(val_root,file_class)    if not os.path.isdir(file_class):        os.makedirs(file_class)    shutil.copy(file, file_class + '/' + file_name)

训练

完成上面的步骤后，就开始train脚本的编写，新建train.py.

导入项目使用的库

import torchimport torch.nn as nnimport torch.nn.parallelimport torch.optim as optimimport torch.utils.dataimport torch.utils.data.distributedimport torchvision.datasets as datasetsimport torchvision.transforms as transformsfrom sklearn.metrics import classification_reportfrom timm.data.mixup import Mixupfrom timm.loss import SoftTargetCrossEntropyfrom timm.models.mobilevit import mobilevit_sfrom apex import ampimport warningswarnings.filterwarnings("ignore")

设置全局参数

设置学习率、BatchSize、epoch等参数，判断环境中是否存在GPU，如果没有则使用CPU。建议使用GPU，CPU太慢了。

# 设置全局参数model_lr = 1e-4BATCH_SIZE = 8EPOCHS = 300DEVICE = torch.device('cuda:0' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')use_amp=False #是否使用混合精度classes=12# 数据预处理7

model_lr：学习率，根据实际情况做调整。
BATCH_SIZE：batchsize，根据显卡的大小设置。
EPOCHS：epoch的个数，一般300够用。
use_amp：是否使用混合精度。
classes：类别个数。
CLIP_GRAD：梯度的最大范数，在梯度裁剪里设置。

图像预处理与增强

数据处理比较简单，加入了Cutout、做了Resize和归一化，定义Mixup函数。

这里注意下Resize的大小，由于MobileViT的输入是256×256的大小，所以要Resize为256×256。

# 数据预处理7transform = transforms.Compose([    transforms.Resize((256, 256)),    Cutout(),    transforms.ToTensor(),    transforms.Normalize(mean=[0.51819474, 0.5250407, 0.4945761], std=[0.24228974, 0.24347611, 0.2530049])])transform_test = transforms.Compose([    transforms.Resize((256, 256)),    transforms.ToTensor(),    transforms.Normalize(mean=[0.51819474, 0.5250407, 0.4945761], std=[0.24228974, 0.24347611, 0.2530049])])mixup_fn = Mixup(    mixup_alpha=0.8, cutmix_alpha=1.0, cutmix_minmax=None,    prob=0.1, switch_prob=0.5, mode='batch',    label_smoothing=0.1, num_classes=classes)

读取数据

使用pytorch默认读取数据的方式，然后将dataset_train.class_to_idx打印出来，预测的时候要用到。

将dataset_train.class_to_idx保存到txt文件或者json文件中。

# 读取数据dataset_train = datasets.ImageFolder('data/train', transform=transform)dataset_test = datasets.ImageFolder("data/val", transform=transform_test)# 导入数据train_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset_train, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True)test_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset_test, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=False)print(dataset_train.class_to_idx)with open('class.txt','w') as file:    file.write(str(dataset_train.class_to_idx))with open('class.json','w',encoding='utf-8') as file:    file.write(json.dumps(dataset_train.class_to_idx))

class_to_idx的结果：

{‘Black-grass’: 0, ‘Charlock’: 1, ‘Cleavers’: 2, ‘Common Chickweed’: 3, ‘Common wheat’: 4, ‘Fat Hen’: 5, ‘Loose Silky-bent’: 6, ‘Maize’: 7, ‘Scentless Mayweed’: 8, ‘Shepherds Purse’: 9, ‘Small-flowered Cranesbill’: 10, ‘Sugar beet’: 11}

设置模型

设置loss函数，train的loss为：SoftTargetCrossEntropy，val的loss：nn.CrossEntropyLoss()。
设置模型为mobilevit_s，预训练设置为true，num_classes设置为12。
优化器设置为adam。
学习率调整策略选择为余弦退火。
检测可用显卡的数量，如果大于1，则要用torch.nn.DataParallel加载模型，开启多卡训练。
开启混合精度训练。
如果存在多上显卡，则使用DP的方式开启多卡并行训练。

# 实例化模型并且移动到GPUcriterion_train = SoftTargetCrossEntropy()# 训练用的losscriterion_val = torch.nn.CrossEntropyLoss()# 验证用的lossmodel_ft = mobilevit_s(pretrained=True)# 定义模型，并设置预训练print(model_ft)num_ftrs = model_ft.head.fc.in_featuresmodel_ft.head.fc = nn.Linear(num_ftrs, classes)# 修改类别model_ft.to(DEVICE)print(model_ft)# 选择简单暴力的Adam优化器，学习率调低optimizer = optim.Adam(model_ft.parameters(), lr=model_lr)cosine_schedule = optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer=optimizer, T_max=20, eta_min=1e-6)# 使用余弦退火算法调整学习率if use_amp: #如果使用混合精度训练，则初始化amp。    model, optimizer = amp.initialize(model_ft, optimizer, opt_level="O1") # 这里是“欧一”，不是“零一”if torch.cuda.device_count() > 1: #检测是否存在多张显卡，如果存在则使用DP的方式并行训练    print("Let's use", torch.cuda.device_count(), "GPUs!")    model_ft = torch.nn.DataParallel(model_ft)

定义训练和验证函数

定义训练函数和验证函数，在一个epoch完成后，使用classification_report计算详细的得分情况。

训练的主要步骤：

1、判断迭代的数据是否是奇数，由于mixup_fn只能接受偶数，所以如果不是偶数则要减去一位，让其变成偶数。但是有可能最后一次迭代只有一条数据，减去后就变成了0，所以还要判断不能小于2，如果小于2则直接中断本次循环。

2、将数据输入mixup_fn生成mixup数据，然后输入model计算loss。

3、如果使用混合精度，则使用amp.scale_loss反向传播求解梯度，否则，直接反向传播求梯度。torch.nn.utils.clip_grad_norm_函数执行梯度裁剪，防止梯度爆炸。

等待一个epoch完成后，统计类别的得分情况。

# 定义训练过程def train(model, device, train_loader, optimizer, epoch):    model.train()    sum_loss = 0    total_num = len(train_loader.dataset)    print(total_num, len(train_loader))    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):        if len(data) % 2 != 0:            if len(data) < 2:                continue            data = data[0:len(data) - 1]            target = target[0:len(target) - 1]            print(len(data))        data, target = data.to(device, non_blocking=True), target.to(device, non_blocking=True)        samples, targets = mixup_fn(data, target)        output = model(data)        loss = criterion_train(output, targets)        optimizer.zero_grad()        if use_amp:            with amp.scale_loss(loss, optimizer) as scaled_loss:                scaled_loss.backward()            torch.nn.utils.clip_grad_norm_(amp.master_params(optimizer), CLIP_GRAD)        else:            loss.backward()            torch.nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), CLIP_GRAD)        optimizer.step()        lr = optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr']        print_loss = loss.data.item()        sum_loss += print_loss        if (batch_idx + 1) % 10 == 0:            print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}\tLR:{:.9f}'.format(                epoch, (batch_idx + 1) * len(data), len(train_loader.dataset),                       100. * (batch_idx + 1) / len(train_loader), loss.item(), lr))    ave_loss = sum_loss / len(train_loader)    print('epoch:{},loss:{}'.format(epoch, ave_loss))ACC = 0# 验证过程def val(model, device, test_loader):    global ACC    model.eval()    test_loss = 0    correct = 0    total_num = len(test_loader.dataset)    print(total_num, len(test_loader))    val_list = []    pred_list = []    with torch.no_grad():        for data, target in test_loader:            for t in target:                val_list.append(t.data.item())            data, target = data.to(device), target.to(device)            output = model(data)            loss = criterion_val(output, target)            _, pred = torch.max(output.data, 1)            for p in pred:                pred_list.append(p.data.item())            correct += torch.sum(pred == target)            print_loss = loss.data.item()            test_loss += print_loss        correct = correct.data.item()        acc = correct / total_num        avgloss = test_loss / len(test_loader)        print('\nVal set: Average loss: {:.4f}, Accuracy: {}/{} ({:.0f}%)\n'.format(            avgloss, correct, len(test_loader.dataset), 100 * acc))        if acc > ACC:            if isinstance(model, torch.nn.DataParallel):                torch.save(model.module, 'model_' + str(epoch) + '_' + str(round(acc, 3)) + '.pth')            else:                torch.save(model, 'model_' + str(epoch) + '_' + str(round(acc, 3)) + '.pth')            ACC = acc    return val_list, pred_list# 训练is_set_lr = Falsefor epoch in range(1, EPOCHS + 1):    train(model_ft, DEVICE, train_loader, optimizer, epoch)    if epoch < 600:        cosine_schedule.step()    else:        if is_set_lr:            continue        for param_group in optimizer.param_groups:            param_group["lr"] = 1e-6            is_set_lr = True    val_list, pred_list = val(model_ft, DEVICE, test_loader)    print(classification_report(val_list, pred_list, target_names=dataset_train.class_to_idx))

运行结果：

测试

测试，我们采用一种通用的方式。

测试集存放的目录如下图：

第一步定义类别，这个类别的顺序和训练时的类别顺序对应，一定不要改变顺序！！！！

第二步定义transforms，transforms和验证集的transforms一样即可，别做数据增强。

第三步加载model，并将模型放在DEVICE里，

第四步读取图片并预测图片的类别，在这里注意，读取图片用PIL库的Image。不要用cv2，transforms不支持。

import torch.utils.data.distributedimport torchvision.transforms as transformsfrom PIL import Imagefrom torch.autograd import Variableimport osclasses = ('Black-grass', 'Charlock', 'Cleavers', 'Common Chickweed',           'Common wheat', 'Fat Hen', 'Loose Silky-bent',           'Maize', 'Scentless Mayweed', 'Shepherds Purse', 'Small-flowered Cranesbill', 'Sugar beet')transform_test = transforms.Compose([    transforms.Resize((256, 256)),    transforms.ToTensor(),    transforms.Normalize(mean=[0.51819474, 0.5250407, 0.4945761], std=[0.24228974, 0.24347611, 0.2530049])])DEVICE = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")model = torch.load("model_52_0.954.pth")model.eval()model.to(DEVICE)path = 'test/'testList = os.listdir(path)for file in testList:    img = Image.open(path + file)    img = transform_test(img)    img.unsqueeze_(0)    img = Variable(img).to(DEVICE)    out = model(img)    # Predict    _, pred = torch.max(out.data, 1)    print('Image Name:{},predict:{}'.format(file, classes[pred.data.item()]))