[翻译]pytorch官方文档-迁移学习教程

原官方网页:https://pytorch.org/tutorials/beginner/transfer_learning_tutorial.html

通过本教程,你将学到如何使用迁移学习训练你的网络。你可以在cs231n notes了解更多关于迁移学习

引用一些笔记:

  • 实际中,基本没有人会从零开始(随机初始化)训练一个完整的卷积网络,因为相对于网络,很难得到一个足够大的数据集[网络很深, 需要足够大数据集]。通常的做法是在一个很大的数据集上进行预训练得到卷积网络ConvNet, 然后将这个ConvNet的参数作为目标任务的初始化参数或者固定这些参数

以下是应用迁移学习的两种场景:

  • 微调Convnet:使用预训练的网络(如在imagenet 1000上训练而来的网络)来初始化自己的网络,而不是随机初始化。其他的训练步骤不变。
  • Convnet看成固定的特征提取器。首先固定ConvNet除了最后的全连接层外的其他所有层。最后的全连接层被替换成一个新的随机初始化的层,只有这个新的层会被训练[只有这层参数会在反向传播时更新]
# 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
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

1. 数据加载

我们通常会使用torchvisiontorch .utils.data包来加载数据

今天要解决的问题是训练一个模型来分类蚂蚁ants和蜜蜂bees。ants和bees各有约120张训练图片。每个类有75张验证图片。从零开始在如此小的数据集上进行训练通常是很难泛化的。由于我们使用迁移学习,模型的泛化能力会相当好

这个数据集是imagenet的子集,可以在这里下载

# 训练集数据增广和归一化
# 在验证集上仅仅归一化
data_transforms = {
    'train': transforms.Compose([
        transforms.RandomResizedCrop(224), # 随机裁剪一个area之后再resize
        transforms.RandomHorizontalFlip(), # 随机水平翻转
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
    ]),
    'val': transforms.Compose([
        transforms.Resize(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

device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

1.1 可视化一些数据

我们可视化了一些训练图片来明白数据增广操作

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)  # pause a bit so that plots are updated


# Get a batch of training data
inputs, classes = next(iter(dataloaders['train']))

# Make a grid from batch
out = torchvision.utils.make_grid(inputs)

imshow(out, title=[class_names[x] for x in classes])
可视化结果

2. 训练网络

现在我们写一个通用的函数来训练网络。我们将展示:

  • 调整学习速率
  • 保存最好的模型

如下,参数scheduler是一个来自torch.optim.lr_scheduler的学习速率调整类的对象(LR scheduler object)

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)

        # Each epoch has a training and validation phase
        for phase in ['train', 'val']:
            if phase == 'train':
                scheduler.step()
                model.train()  # Set model to training mode
            else:
                model.eval()   # Set model to evaluate mode

            running_loss = 0.0
            running_corrects = 0

            # Iterate over data.
            for inputs, labels in dataloaders[phase]:
                inputs = inputs.to(device)
                labels = labels.to(device)

                # zero the parameter gradients
                optimizer.zero_grad()

                # forward
                # track history if only in train
                with torch.set_grad_enabled(phase == 'train'):
                    outputs = model(inputs)
                    _, preds = torch.max(outputs, 1)
                    loss = criterion(outputs, labels)

                    # backward + optimize only if in training phase
                    if phase == 'train':
                        loss.backward()
                        optimizer.step()

                # statistics
                running_loss += loss.item() * inputs.size(0)
                running_corrects += torch.sum(preds == labels.data)

            epoch_loss = running_loss / dataset_sizes[phase]
            epoch_acc = running_corrects.double() / dataset_sizes[phase]

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

            # deep copy the 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))

    # load best model weights
    model.load_state_dict(best_model_wts)
    return model

2.1 可视化模型的预测结果

一个通用的展示少量预测图片的函数

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['val']):
            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: {}'.format(class_names[preds[j]]))
                imshow(inputs.cpu().data[j])

                if images_so_far == num_images:
                    model.train(mode=was_training)
                    return
        model.train(mode=was_training)

3. 微调convnent

加载预训练模型并且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)

model_ft = model_ft.to(device)

criterion = nn.CrossEntropyLoss()

# Observe that all parameters are being optimized
optimizer_ft = optim.SGD(model_ft.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

# Decay LR by a factor of 0.1 every 7 epochs
exp_lr_scheduler = lr_scheduler.StepLR(optimizer_ft, step_size=7, gamma=0.1)

3.1 训练并评估

在CPU上将耗时大约15-25分钟,在GPU上将花少于1分钟的时间

  • 训练
model_ft = train_model(model_ft, criterion, optimizer_ft, exp_lr_scheduler,
                       num_epochs=25)
  • output
Epoch 0/24
----------
train Loss: 0.6849 Acc: 0.6762
val Loss: 0.2146 Acc: 0.9281
.
.
.
Epoch 23/24
----------
train Loss: 0.2282 Acc: 0.9139
val Loss: 0.2709 Acc: 0.8954

Epoch 24/24
----------
train Loss: 0.3081 Acc: 0.8566
val Loss: 0.3045 Acc: 0.9020

Training complete in 0m 58s
Best val Acc: 0.928105
  • 可视化
visualize_model(model_ft)
训练结果

4. 将convnent看成特征提取器

这里,我们将冻结全部网络,除了最后一层。我们应该将需要设置欲冻结的参数的requires_grad == False,这样在反向传播backward()的时候他们的梯度就不会被计算
更多关于grad的文档在这里

model_conv = torchvision.models.resnet18(pretrained=True)
# 最重要的一步
for param in model_conv.parameters():
    param.requires_grad = False

# Parameters of newly constructed modules have requires_grad=True by default
num_ftrs = model_conv.fc.in_features
model_conv.fc = nn.Linear(num_ftrs, 2)

model_conv = model_conv.to(device)

criterion = nn.CrossEntropyLoss()

# Observe that only parameters of final layer are being optimized as
# opoosed to before.
optimizer_conv = optim.SGD(model_conv.fc.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

# Decay LR by a factor of 0.1 every 7 epochs
exp_lr_scheduler = lr_scheduler.StepLR(optimizer_conv, step_size=7, gamma=0.1)

4.1 训练和评估

在CPU上,固定参数相比于之前的作为初始化参数的做法,会节约大约一半的时间。这是可以预期的,因为网络的绝大部分参数的梯度不会在反向传播中计算。(但是这些参数是参与前向传播的)

  • 训练
model_conv = train_model(model_conv, criterion, optimizer_conv,
                         exp_lr_scheduler, num_epochs=25)
  • output
Epoch 0/24
----------
train Loss: 0.6421 Acc: 0.6557
val Loss: 0.4560 Acc: 0.7451

Epoch 1/24
----------
train Loss: 0.4694 Acc: 0.7746
val Loss: 0.1616 Acc: 0.9608

Epoch 2/24
----------
train Loss: 0.4500 Acc: 0.7746
val Loss: 0.3041 Acc: 0.8627
.
.
.
Epoch 24/24
----------
train Loss: 0.3382 Acc: 0.8566
val Loss: 0.1605 Acc: 0.9542

Training complete in 0m 46s
Best val Acc: 0.967320
  • 可视化
visualize_model(model_conv)

plt.ioff()
plt.show()
训练结果

5. 文件下载

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