ConvNeXt實(shí)戰(zhàn)之實(shí)現(xiàn)植物幼苗分類

更新時間：2022年01月17日 10:52:31 作者：AI浩

ConvNeXts由標(biāo)準(zhǔn)ConvNet模塊構(gòu)建，在準(zhǔn)確性和可擴(kuò)展性方面與 Transformer競爭，實(shí)現(xiàn)87.8% ImageNet top-1 準(zhǔn)確率，在 COCO 檢測和 ADE20K 分割方面優(yōu)于 Swin Transformers。本文將利用ConvNeXt實(shí)現(xiàn)植物幼苗分類，需要的可以參考一下

前言
ConvNeXt殘差模塊
數(shù)據(jù)增強(qiáng)Cutout和Mixup
項(xiàng)目結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)集
導(dǎo)入模型文件
安裝庫，并導(dǎo)入需要的庫
設(shè)置全局參數(shù)
數(shù)據(jù)預(yù)處理
設(shè)置模型
定義訓(xùn)練和驗(yàn)證函數(shù)
測試

第一種寫法
第二種寫法

前言

ConvNeXts 完全由標(biāo)準(zhǔn) ConvNet 模塊構(gòu)建，在準(zhǔn)確性和可擴(kuò)展性方面與 Transformer 競爭，實(shí)現(xiàn) 87.8% ImageNet top-1 準(zhǔn)確率，在 COCO 檢測和 ADE20K 分割方面優(yōu)于 Swin Transformers，同時保持標(biāo)準(zhǔn) ConvNet 的簡單性和效率。

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2201.03545.pdf

代碼鏈接：https://github.com/facebookresearch/ConvNeXt

如果github不能下載，可以使用下面的連接：

https://gitcode.net/hhhhhhhhhhwwwwwwwwww/ConvNeXt

ConvNexts的特點(diǎn);

使用7×7的卷積核，在VGG、ResNet等經(jīng)典的CNN模型中，使用的是小卷積核，但是ConvNexts證明了大卷積和的有效性。作者嘗試了幾種內(nèi)核大小，包括 3、5、7、9 和 11。網(wǎng)絡(luò)的性能從 79.9% (3×3) 提高到 80.6% (7×7)，而網(wǎng)絡(luò)的 FLOPs 大致保持不變，內(nèi)核大小的好處在 7×7 處達(dá)到飽和點(diǎn)。

使用GELU（高斯誤差線性單元）激活函數(shù)。GELUs是 dropout、zoneout、Relus的綜合，GELUs對于輸入乘以一個0,1組成的mask，而該mask的生成則是依概率隨機(jī)的依賴于輸入。實(shí)驗(yàn)效果要比Relus與ELUs都要好。下圖是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):

使用LayerNorm而不是BatchNorm。

倒置瓶頸。圖 3 (a) 至 (b) 說明了這些配置。盡管深度卷積層的 FLOPs 增加了，但由于下采樣殘差塊的快捷 1×1 卷積層的 FLOPs 顯著減少，這種變化將整個網(wǎng)絡(luò)的 FLOPs 減少到 4.6G。成績從 80.5% 提高到 80.6%。在 ResNet-200/Swin-B 方案中，這一步帶來了更多的收益（81.9% 到 82.6%），同時也減少了 FLOP。

ConvNeXt殘差模塊

殘差模塊是整個模型的核心。如下圖：

代碼實(shí)現(xiàn)：

class Block(nn.Module):
    r""" ConvNeXt Block. There are two equivalent implementations:
    (1) DwConv -> LayerNorm (channels_first) -> 1x1 Conv -> GELU -> 1x1 Conv; all in (N, C, H, W)
    (2) DwConv -> Permute to (N, H, W, C); LayerNorm (channels_last) -> Linear -> GELU -> Linear; Permute back
    We use (2) as we find it slightly faster in PyTorch
    
    Args:
        dim (int): Number of input channels.
        drop_path (float): Stochastic depth rate. Default: 0.0
        layer_scale_init_value (float): Init value for Layer Scale. Default: 1e-6.
    """
    def __init__(self, dim, drop_path=0., layer_scale_init_value=1e-6):
        super().__init__()
        self.dwconv = nn.Conv2d(dim, dim, kernel_size=7, padding=3, groups=dim) # depthwise conv
        self.norm = LayerNorm(dim, eps=1e-6)
        self.pwconv1 = nn.Linear(dim, 4 * dim) # pointwise/1x1 convs, implemented with linear layers
        self.act = nn.GELU()
        self.pwconv2 = nn.Linear(4 * dim, dim)
        self.gamma = nn.Parameter(layer_scale_init_value * torch.ones((dim)), 
                                    requires_grad=True) if layer_scale_init_value > 0 else None
        self.drop_path = DropPath(drop_path) if drop_path > 0. else nn.Identity()
    def forward(self, x):
        input = x
        x = self.dwconv(x)
        x = x.permute(0, 2, 3, 1) # (N, C, H, W) -> (N, H, W, C)
        x = self.norm(x)
        x = self.pwconv1(x)
        x = self.act(x)
        x = self.pwconv2(x)
        if self.gamma is not None:
            x = self.gamma * x
        x = x.permute(0, 3, 1, 2) # (N, H, W, C) -> (N, C, H, W)
        x = input + self.drop_path(x)
        return x

數(shù)據(jù)增強(qiáng)Cutout和Mixup

ConvNext使用了Cutout和Mixup，為了提高成績我在我的代碼中也加入這兩種增強(qiáng)方式。官方使用timm，我沒有采用官方的，而選擇用torchtoolbox。安裝命令：

pip install torchtoolbox

Cutout實(shí)現(xiàn)，在transforms中。

from torchtoolbox.transform import Cutout

# 數(shù)據(jù)預(yù)處理

transform = transforms.Compose([
? ? transforms.Resize((224, 224)),
? ? Cutout(),
? ? transforms.ToTensor(),
? ? transforms.Normalize([0.5, 0.5, 0.5], [0.5, 0.5, 0.5])

])

Mixup實(shí)現(xiàn)，在train方法中。需要導(dǎo)入包：from torchtoolbox.tools import mixup_data, mixup_criterion

    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        data, target = data.to(device, non_blocking=True), target.to(device, non_blocking=True)
        data, labels_a, labels_b, lam = mixup_data(data, target, alpha)
        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = mixup_criterion(criterion, output, labels_a, labels_b, lam)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        print_loss = loss.data.item()

項(xiàng)目結(jié)構(gòu)

使用tree命令，打印項(xiàng)目結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)集

數(shù)據(jù)集選用植物幼苗分類，總共12類。數(shù)據(jù)集連接如下：

鏈接提取碼：syng

在工程的根目錄新建data文件夾，獲取數(shù)據(jù)集后，將trian和test解壓放到data文件夾下面，如下圖：

導(dǎo)入模型文件

從官方的鏈接中找到convnext.py文件，將其放入Model文件夾中。如圖：

安裝庫，并導(dǎo)入需要的庫

模型用到了timm庫，如果沒有需要安裝，執(zhí)行命令：

pip install timm

新建train_connext.py文件，導(dǎo)入所需要的包：

import torch.optim as optim
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.parallel
import torch.utils.data
import torch.utils.data.distributed
import torchvision.transforms as transforms
from dataset.dataset import SeedlingData
from torch.autograd import Variable
from Model.convnext import convnext_tiny
from torchtoolbox.tools import mixup_data, mixup_criterion
from torchtoolbox.transform import Cutout

設(shè)置全局參數(shù)

設(shè)置使用GPU，設(shè)置學(xué)習(xí)率、BatchSize、epoch等參數(shù)。

# 設(shè)置全局參數(shù)
modellr = 1e-4
BATCH_SIZE = 8
EPOCHS = 300
DEVICE = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)處理比較簡單，沒有做復(fù)雜的嘗試，有興趣的可以加入一些處理。

# 數(shù)據(jù)預(yù)處理

transform = transforms.Compose([
? ? transforms.Resize((224, 224)),
? ? Cutout(),
? ? transforms.ToTensor(),
? ? transforms.Normalize([0.5, 0.5, 0.5], [0.5, 0.5, 0.5])

])
transform_test = transforms.Compose([
? ? transforms.Resize((224, 224)),
? ? transforms.ToTensor(),
? ? transforms.Normalize([0.5, 0.5, 0.5], [0.5, 0.5, 0.5])
])

數(shù)據(jù)讀取

然后我們在dataset文件夾下面新建 init.py和dataset.py，在mydatasets.py文件夾寫入下面的代碼：

說一下代碼的核心邏輯。

第一步建立字典，定義類別對應(yīng)的ID,用數(shù)字代替類別。

第二步在__init__里面編寫獲取圖片路徑的方法。測試集只有一層路徑直接讀取，訓(xùn)練集在train文件夾下面是類別文件夾，先獲取到類別，再獲取到具體的圖片路徑。然后使用sklearn中切分?jǐn)?shù)據(jù)集的方法，按照7：3的比例切分訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。

第三步在__getitem__方法中定義讀取單個圖片和類別的方法，由于圖像中有位深度32位的，所以我在讀取圖像的時候做了轉(zhuǎn)換。

代碼如下：

# coding:utf8
import os
from PIL import Image
from torch.utils import data
from torchvision import transforms as T
from sklearn.model_selection import train_test_split

Labels = {'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}


class SeedlingData(data.Dataset):

? ? def __init__(self, root, transforms=None, train=True, test=False):
? ? ? ? """
? ? ? ? 主要目標(biāo)： 獲取所有圖片的地址，并根據(jù)訓(xùn)練，驗(yàn)證，測試劃分?jǐn)?shù)據(jù)
? ? ? ? """
? ? ? ? self.test = test
? ? ? ? self.transforms = transforms

? ? ? ? if self.test:
? ? ? ? ? ? imgs = [os.path.join(root, img) for img in os.listdir(root)]
? ? ? ? ? ? self.imgs = imgs
? ? ? ? else:
? ? ? ? ? ? imgs_labels = [os.path.join(root, img) for img in os.listdir(root)]
? ? ? ? ? ? imgs = []
? ? ? ? ? ? for imglable in imgs_labels:
? ? ? ? ? ? ? ? for imgname in os.listdir(imglable):
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? imgpath = os.path.join(imglable, imgname)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? imgs.append(imgpath)
? ? ? ? ? ? trainval_files, val_files = train_test_split(imgs, test_size=0.3, random_state=42)
? ? ? ? ? ? if train:
? ? ? ? ? ? ? ? self.imgs = trainval_files
? ? ? ? ? ? else:
? ? ? ? ? ? ? ? self.imgs = val_files

? ? def __getitem__(self, index):
? ? ? ? """
? ? ? ? 一次返回一張圖片的數(shù)據(jù)
? ? ? ? """
? ? ? ? img_path = self.imgs[index]
? ? ? ? img_path = img_path.replace("\\", '/')
? ? ? ? if self.test:
? ? ? ? ? ? label = -1
? ? ? ? else:
? ? ? ? ? ? labelname = img_path.split('/')[-2]
? ? ? ? ? ? label = Labels[labelname]
? ? ? ? data = Image.open(img_path).convert('RGB')
? ? ? ? data = self.transforms(data)
? ? ? ? return data, label

? ? def __len__(self):
? ? ? ? return len(self.imgs)

然后我們在train.py調(diào)用SeedlingData讀取數(shù)據(jù) ，記著導(dǎo)入剛才寫的dataset.py(from mydatasets import SeedlingData)

# 讀取數(shù)據(jù)
dataset_train = SeedlingData('data/train', transforms=transform, train=True)
dataset_test = SeedlingData("data/train", transforms=transform_test, train=False)
# 導(dǎo)入數(shù)據(jù)
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)

設(shè)置模型

設(shè)置loss函數(shù)為nn.CrossEntropyLoss()。

設(shè)置模型為coatnet_0，修改最后一層全連接輸出改為12（數(shù)據(jù)集的類別）。
優(yōu)化器設(shè)置為adam。
學(xué)習(xí)率調(diào)整策略改為余弦退火

# 實(shí)例化模型并且移動到GPU
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
#criterion = SoftTargetCrossEntropy()
model_ft = convnext_tiny(pretrained=True)
num_ftrs = model_ft.head.in_features
model_ft.fc = nn.Linear(num_ftrs, 12)
model_ft.to(DEVICE)
# 選擇簡單暴力的Adam優(yōu)化器，學(xué)習(xí)率調(diào)低
optimizer = optim.Adam(model_ft.parameters(), lr=modellr)
cosine_schedule = optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer=optimizer,T_max=20,eta_min=1e-9)

定義訓(xùn)練和驗(yàn)證函數(shù)

alpha=0.2 Mixup所需的參數(shù)。

# 定義訓(xùn)練過程
alpha=0.2
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):
? ? ? ? data, target = data.to(device, non_blocking=True), target.to(device, non_blocking=True)
? ? ? ? data, labels_a, labels_b, lam = mixup_data(data, target, alpha)
? ? ? ? optimizer.zero_grad()
? ? ? ? output = model(data)
? ? ? ? loss = mixup_criterion(criterion, output, labels_a, labels_b, lam)
? ? ? ? loss.backward()
? ? ? ? optimizer.step()
? ? ? ? print_loss = loss.data.item()
? ? ? ? sum_loss += print_loss
? ? ? ? if (batch_idx + 1) % 10 == 0:
? ? ? ? ? ? print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
? ? ? ? ? ? ? ? epoch, (batch_idx + 1) * len(data), len(train_loader.dataset),
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?100. * (batch_idx + 1) / len(train_loader), loss.item()))
? ? ave_loss = sum_loss / len(train_loader)
? ? print('epoch:{},loss:{}'.format(epoch, ave_loss))

ACC=0
# 驗(yàn)證過程
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))
? ? with torch.no_grad():
? ? ? ? for data, target in test_loader:
? ? ? ? ? ? data, target = Variable(data).to(device), Variable(target).to(device)
? ? ? ? ? ? output = model(data)
? ? ? ? ? ? loss = criterion(output, target)
? ? ? ? ? ? _, pred = torch.max(output.data, 1)
? ? ? ? ? ? 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:
? ? ? ? ? ? torch.save(model_ft, 'model_' + str(epoch) + '_' + str(round(acc, 3)) + '.pth')
? ? ? ? ? ? ACC = acc


# 訓(xùn)練

for epoch in range(1, EPOCHS + 1):
? ? train(model_ft, DEVICE, train_loader, optimizer, epoch)
? ? cosine_schedule.step()
? ? val(model_ft, DEVICE, test_loader)

然后就可以開始訓(xùn)練了

訓(xùn)練10個epoch就能得到不錯的結(jié)果：

測試

第一種寫法

測試集存放的目錄如下圖：

第一步定義類別，這個類別的順序和訓(xùn)練時的類別順序?qū)?yīng)，一定不要改變順序?。。?！

classes = ('Black-grass', 'Charlock', 'Cleavers', 'Common Chickweed',
           'Common wheat', 'Fat Hen', 'Loose Silky-bent',
           'Maize', 'Scentless Mayweed', 'Shepherds Purse', 'Small-flowered Cranesbill', 'Sugar beet')

第二步定義transforms，transforms和驗(yàn)證集的transforms一樣即可，別做數(shù)據(jù)增強(qiáng)。

transform_test = transforms.Compose([
         transforms.Resize((224, 224)),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize([0.5, 0.5, 0.5], [0.5, 0.5, 0.5])
])

第三步加載model，并將模型放在DEVICE里。

DEVICE = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model = torch.load("model_8_0.971.pth")
model.eval()
model.to(DEVICE)

第四步讀取圖片并預(yù)測圖片的類別，在這里注意，讀取圖片用PIL庫的Image。不要用cv2，transforms不支持。

path = 'data/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()]))

測試完整代碼：

import torch.utils.data.distributed
import torchvision.transforms as transforms
from PIL import Image
from torch.autograd import Variable
import os

classes = ('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((224, 224)),
? ? transforms.ToTensor(),
? ? transforms.Normalize([0.5, 0.5, 0.5], [0.5, 0.5, 0.5])
])

DEVICE = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model = torch.load("model_8_0.971.pth")
model.eval()
model.to(DEVICE)

path = 'data/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()]))

運(yùn)行結(jié)果：

第二種寫法

第二種，使用自定義的Dataset讀取圖片。前三步同上，差別主要在第四步。讀取數(shù)據(jù)的時候，使用Dataset的SeedlingData讀取。

dataset_test =SeedlingData('data/test/', transform_test,test=True)
print(len(dataset_test))
# 對應(yīng)文件夾的label
 
for index in range(len(dataset_test)):
    item = dataset_test[index]
    img, label = item
    img.unsqueeze_(0)
    data = Variable(img).to(DEVICE)
    output = model(data)
    _, pred = torch.max(output.data, 1)
    print('Image Name:{},predict:{}'.format(dataset_test.imgs[index], classes[pred.data.item()]))
    index += 1

運(yùn)行結(jié)果：