PyTorch 迁移学习教程及示例
伊芙琳·克拉克
什么是迁移学习？
转移学习 是一种使用训练模型解决另一项相关任务的技术。它是一种机器学习研究方法，它将解决特定问题时获得的知识存储在其中，并使用相同的知识来解决另一个不同但相关的问题。通过重复使用从先前学习的任务中收集的信息，可以提高效率。
使用其他网络模型权重来减少训练时间是很常见的，因为训练网络模型需要大量数据。为了减少训练时间，您可以使用其他网络及其权重并修改最后一层来解决我们的问题。这样做的好处是您可以使用小数据集来训练最后一层。
接下来，在本 PyTorch 迁移学习教程中，我们将学习如何使用 PyTorch 进行迁移学习。
加载数据集
在开始使用迁移学习 PyTorch 之前，您需要了解要使用的数据集。在此迁移学习 PyTorch 示例中，您将从近 700 张图像中对外星人和捕食者进行分类。对于这种技术，您实际上不需要大量数据进行训练。您可以从下载数据集 Kaggle：异形大战铁血战士。
如何使用迁移学习？
以下是如何使用 PyTorch 进行迁移学习进行深度学习的分步过程：
步骤1）加载数据
第一步是加载我们的数据并对图像进行一些转换，以便它们符合网络要求。
您将从包含 torchvision.dataset 的文件夹中加载数据。模块将在文件夹中迭代以拆分数据以进行训练和验证。转换过程将从中心裁剪图像，执行水平翻转，规范化，最后使用深度学习将其转换为张量。
from __future__ import print_function, division
import os
import time
import torch
import torchvision
from torchvision import datasets, models, transforms
import torch.optim as optim
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
data_dir = "alien_pred"
input_shape = 224
mean = [0.5, 0.5, 0.5]
std = [0.5, 0.5, 0.5]
#data transformation
data_transforms = {
'train': transforms.Compose([
transforms.CenterCrop(input_shape),
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize(mean, std)
]),
'validation': transforms.Compose([
transforms.CenterCrop(input_shape),
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize(mean, std)
]),
}
image_datasets = {
x: datasets.ImageFolder(
os.path.join(data_dir, x),
transform=data_transforms[x]
)
for x in ['train', 'validation']
}
dataloaders = {
x: torch.utils.data.DataLoader(
image_datasets[x], batch_size=32,
shuffle=True, num_workers=4
)
for x in ['train', 'validation']
}
dataset_sizes = {x: len(image_datasets[x]) for x in ['train', 'validation']}
print(dataset_sizes)
class_names = image_datasets['train'].classes
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
让我们将 PyTorch 迁移学习的数据集可视化。可视化过程将从训练数据加载器和标签中获取下一批图像，并使用 matplot 显示它。
images, labels = next(iter(dataloaders['train'])) rows = 4 columns = 4 fig=plt.figure() for i in range(16): fig.add_subplot(rows, columns, i+1) plt.title(class_names[labels[i]]) img = images[i].numpy().transpose((1, 2, 0)) img = std * img + mean plt.imshow(img) plt.show()
步骤2）定义模型
该 深度学习 过程中，您将使用来自 torchvision 模块的 ResNet18。
您将使用 torchvision.models 加载 resnet18，并将预训练权重设置为 True。之后，您将冻结这些层，以使这些层不可训练。您还可以使用线性层修改最后一层，以满足我们的需求，即 2 个类。您还可以使用 CrossEntropyLoss 作为多类损失函数，对于优化器，您将使用学习率为 0.0001、动量为 0.9 的 SGD，如下面的 PyTorch 迁移学习示例所示。
## Load the model based on VGG19 vgg_based = torchvision.models.vgg19(pretrained=True) ## freeze the layers for param in vgg_based.parameters(): param.requires_grad = False # Modify the last layer number_features = vgg_based.classifier[6].in_features features = list(vgg_based.classifier.children())[:-1] # Remove last layer features.extend([torch.nn.Linear(number_features, len(class_names))]) vgg_based.classifier = torch.nn.Sequential(*features) vgg_based = vgg_based.to(device) print(vgg_based) criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss() optimizer_ft = optim.SGD(vgg_based.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)
输出模型结构
VGG( (features): Sequential( (0): Conv2d(3, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (1): ReLU(inplace) (2): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (3): ReLU(inplace) (4): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False) (5): Conv2d(64, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (6): ReLU(inplace) (7): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (8): ReLU(inplace) (9): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False) (10): Conv2d(128, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (11): ReLU(inplace) (12): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (13): ReLU(inplace) (14): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (15): ReLU(inplace) (16): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (17): ReLU(inplace) (18): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False) (19): Conv2d(256, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (20): ReLU(inplace) (21): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (22): ReLU(inplace) (23): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (24): ReLU(inplace) (25): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (26): ReLU(inplace) (27): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False) (28): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (29): ReLU(inplace) (30): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (31): ReLU(inplace) (32): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (33): ReLU(inplace) (34): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (35): ReLU(inplace) (36): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False) ) (classifier): Sequential( (0): Linear(in_features=25088, out_features=4096, bias=True) (1): ReLU(inplace) (2): Dropout(p=0.5) (3): Linear(in_features=4096, out_features=4096, bias=True) (4): ReLU(inplace) (5): Dropout(p=0.5) (6): Linear(in_features=4096, out_features=2, bias=True) ) )
步骤3）训练和测试模型
我们将使用迁移学习中的一些函数 PyTorch 教程 帮助我们训练和评估我们的模型。
def train_model(model, criterion, optimizer, num_epochs=25):
since = time.time()
for epoch in range(num_epochs):
print('Epoch {}/{}'.format(epoch, num_epochs - 1))
print('-' * 10)
#set model to trainable
# model.train()
train_loss = 0
# Iterate over data.
for i, data in enumerate(dataloaders['train']):
inputs , labels = data
inputs = inputs.to(device)
labels = labels.to(device)
optimizer.zero_grad()
with torch.set_grad_enabled(True):
outputs = model(inputs)
loss = criterion(outputs, labels)
loss.backward()
optimizer.step()
train_loss += loss.item() * inputs.size(0)
print('{} Loss: {:.4f}'.format(
'train', train_loss / dataset_sizes['train']))
time_elapsed = time.time() - since
print('Training complete in {:.0f}m {:.0f}s'.format(
time_elapsed // 60, time_elapsed % 60))
return model
def visualize_model(model, num_images=6):
was_training = model.training
model.eval()
images_so_far = 0
fig = plt.figure()
with torch.no_grad():
for i, (inputs, labels) in enumerate(dataloaders['validation']):
inputs = inputs.to(device)
labels = labels.to(device)
outputs = model(inputs)
_, preds = torch.max(outputs, 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: {} truth: {}'.format(class_names[preds[j]], class_names[labels[j]]))
img = inputs.cpu().data[j].numpy().transpose((1, 2, 0))
img = std * img + mean
ax.imshow(img)
if images_so_far == num_images:
model.train(mode=was_training)
return
model.train(mode=was_training)
最后，在这个 PyTorch 迁移学习示例中，让我们以 25 个 epoch 数开始训练过程，并在训练过程后进行评估。在每个训练步骤中，模型将获取输入并预测输出。之后，预测的输出将传递给标准以计算损失。然后，损失将执行反向传播计算以计算梯度，最后计算权重并使用 autograd 优化参数。
在可视化模型中，训练好的网络将用一批图像进行测试，以预测标签。然后借助 matplotlib 进行可视化。
vgg_based = train_model(vgg_based, criterion, optimizer_ft, num_epochs=25) visualize_model(vgg_based) plt.show()
步骤4）结果
最终的结果是，你的准确率达到了 92%。
Epoch 23/24 ---------- train Loss: 0.0044 train Loss: 0.0078 train Loss: 0.0141 train Loss: 0.0221 train Loss: 0.0306 train Loss: 0.0336 train Loss: 0.0442 train Loss: 0.0482 train Loss: 0.0557 train Loss: 0.0643 train Loss: 0.0763 train Loss: 0.0779 train Loss: 0.0843 train Loss: 0.0910 train Loss: 0.0990 train Loss: 0.1063 train Loss: 0.1133 train Loss: 0.1220 train Loss: 0.1344 train Loss: 0.1382 train Loss: 0.1429 train Loss: 0.1500 Epoch 24/24 ---------- train Loss: 0.0076 train Loss: 0.0115 train Loss: 0.0185 train Loss: 0.0277 train Loss: 0.0345 train Loss: 0.0420 train Loss: 0.0450 train Loss: 0.0490 train Loss: 0.0644 train Loss: 0.0755 train Loss: 0.0813 train Loss: 0.0868 train Loss: 0.0916 train Loss: 0.0980 train Loss: 0.1008 train Loss: 0.1101 train Loss: 0.1176 train Loss: 0.1282 train Loss: 0.1323 train Loss: 0.1397 train Loss: 0.1436 train Loss: 0.1467 Training complete in 2m 47s
结束时，我们的模型的输出将使用下面的 matplot 进行可视化：
总结
那么，让我们总结一下！第一个因素是 PyTorch 是一个不断发展的深度学习框架，适合初学者或用于研究目的。它提供高计算时间、动态图、GPU 支持，并且完全用 Python。您可以轻松定义自己的网络模块，并通过简单的迭代进行训练过程。很明显，PyTorch 非常适合初学者学习深度学习，对于专业研究人员来说，它非常有用，因为它具有更快的计算时间，并且还有非常有用的 autograd 函数来协助动态图。
